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特表2024-505358入出力経路を共有する光コヒーレントイメージャおよびコヒーレント光の感知方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-02-06
(54)【発明の名称】入出力経路を共有する光コヒーレントイメージャおよびコヒーレント光の感知方法
(51)【国際特許分類】
H04B 10/64 20130101AFI20240130BHJP
G02F 2/00 20060101ALI20240130BHJP
H04B 10/43 20130101ALI20240130BHJP
H01L 27/15 20060101ALI20240130BHJP
H04J 14/06 20060101ALI20240130BHJP
G01S 7/481 20060101ALI20240130BHJP
【ＦＩ】
H04B10/64
G02F2/00
H04B10/43
H01L27/15 D
H01L27/15 C
H04J14/06
G01S7/481 A
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023540146
(86)(22)【出願日】2021-07-21
(85)【翻訳文提出日】2023-06-29
(86)【国際出願番号】 US2021042533
(87)【国際公開番号】W WO2023003550
(87)【国際公開日】2023-01-26
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】522062117
【氏名又は名称】オーエーエム・フォトニックス・リミテッド・ライアビリティー・カンパニー
【氏名又は名称原語表記】ＯＡＭ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＬＬＣ
(74)【代理人】
【識別番号】110000268
【氏名又は名称】オリジネイト弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】チャン・カム・ワイ・クリフォード
(72)【発明者】
【氏名】ウォン・チュン・キ
【テーマコード（参考）】
2K102
5J084
5K102
【Ｆターム（参考）】
2K102BA40
2K102BC01
2K102BD09
5J084BA03
5J084BA23
5J084BA36
5J084BA51
5J084BB01
5J084BB15
5K102AA15
5K102AH12
5K102AH14
5K102PD02
5K102PD13
5K102PH22
5K102PH25
5K102PH37
5K102PH38
5K102PH41
5K102PH49
5K102PH50
(57)【要約】
本開示は、偏光ダイバーシティを利用することによって光信号を送信および受信するための共有パスを可能にする光集積回路（ＰＩＣ）上に実装される光コヒーレントイメージャを提供する。また、本開示は、イメージャの設計および校正を簡素化するための光コヒーレント感知ユニットのアレイを含む光コヒーレントイメージャ、および光コヒーレントイメージャによるコヒーレント感知のための方法を提供する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数のコヒーレント感知ユニットと、前記コヒーレント感知ユニット上に配置された偏光変換器とを備える光コヒーレントセンサーであって、前記コヒーレント感知ユニットのそれぞれは、
自由空間と第１の導波路との間で第１の偏光状態を有する光信号を導くことができ、自由空間と第２の導波路との間で第２の偏光状態を有する光信号を導くことができる偏光多様化光カプラーと、
前記第１および第２の導波路のうちの少なくとも１つを介して前記偏光多様化光カプラーに光学的に結合された１つ以上の２×２光カプラーと、
前記２×２光カプラーに光学的に結合された１つ以上の光検出器と、
を有することを特徴とする光コヒーレントセンサー。
【請求項2】
前記偏光多様化光カプラーは、第１のサブカプラーと第２のサブカプラーとを有することを特徴とする請求項１に記載の光コヒーレントセンサー。
【請求項3】
前記第１および第２のサブカプラーのうちの一方は、所定の偏光状態の光信号と適正に結合する偏光依存性があり、前記第１および第２のサブカプラーのうちの他方は、任意の偏光状態の光信号と適正に結合する偏波独立性があることを特徴とする請求項２に記載の光コヒーレントセンサー。
【請求項4】
前記第２のサブカプラーは、前記第１のサブカプラー上に垂直に分離されて配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光コヒーレントセンサー。
【請求項5】
前記第１および第２のサブカプラーはフォトニック基板上に配置され、互いに横方向に分離されていることを特徴とする請求項２に記載の光コヒーレントセンサー。
【請求項6】
前記偏波変換器は、第１および第２のサブカプラーのうちの１つから出力する光信号を自由空間内の光路に導き、前記光路から入力される光信号を前記第１の偏光状態を有する第１の光信号と前記第２の偏光状態を有する第２の光信号に分離し、前記第１および第２の光信号の一方または両方は、前記第１および第２の光信号がそれぞれ前記第１および第２のサブカプラーに入力されるように、前記偏光変換器によって空間的に変位されることを特徴とする請求項５に記載の光コヒーレントセンサー。
【請求項7】
前記偏光変換器は、少なくとも１つの偏光依存性ビームセパレータを有することを特徴とする請求項２に記載の光コヒーレントセンサー。
【請求項8】
前記偏光変換器は、直線偏光された光信号を所定の角度によって回転させる１つ以上の偏光コンバータを有することを特徴とする請求項１に記載の光コヒーレントセンサー。
【請求項9】
前記偏光コンバータの少なくとも１つはファラデー回転子であることを特徴とする請求項８に記載の光コヒーレントセンサー。
【請求項10】
前記偏光変換器が１つ以上の１／４波長板を有することを特徴とする請求項１に記載の光コヒーレントセンサー。
【請求項11】
前記偏光多様化光カプラーが第３のサブカプラーをさらに有することを特徴とする請求項２に記載の光コヒーレントセンサー。
【請求項12】
前記第１、第２、および第３のサブカプラーはフォトニック基板上に配置され、互いに横方向に分離されていることを特徴とする請求項１１に記載の光コヒーレントセンサー。
【請求項13】
前記偏光変換器は、前記第１、第２、および第３のサブカプラーのうちの１つから出力する光信号を自由空間内の光路に導き、前記光路から入力される光信号を前記第１の偏光状態を有する第１の光信号と前記第２の偏光状態を有する第２の光信号とに分離し、前記第１および第２の光信号の一方または両方が、前記第１および第２の光信号がそれぞれ前記第１、第２および第３のサブカプラーのうちの２つに入力されるように、前記偏光変換器によって空間的に変位されることを特徴とする請求項１１に記載の光コヒーレントセンサー。
【請求項14】
前記偏光多様化光カプラーが第４のサブカプラーをさらに有することを特徴とする請求項１１に記載の光コヒーレントセンサー。
【請求項15】
前記偏光変換器は、第１、第２、第３、第４のサブカプラーのうちの２つから出力される光信号を自由空間の光路に導き、前記光路から入力される光信号を前記第１の偏光状態を有する第１の光信号と前記第２の偏光状態を有する第２の光信号とに分離し、前記第１および第２の光信号の一方または両方が、前記第１、第２、第３、および第４のサブカプラーのうちの２つにそれぞれ入射するように、前記偏光変換器によって空間的に変位されることを特徴とする請求項１４に記載の光コヒーレントセンサー。
【請求項16】
請求項１に記載の光コヒーレントセンサーと、複数のレンズを含む結像光学系とを有する光コヒーレントイメージャであって、前記結像光学系は、前記光コヒーレントセンサーが前記結像光学系の像面に近接して位置されるように配置されることを特徴とする光コヒーレントイメージャ。
【請求項17】
光コヒーレントイメージャから、前記光コヒーレントイメージャの１つ以上の視野位置にそれぞれ対応する１つ以上の光路に沿って、１つ以上の出力光信号を１つ以上のターゲットにそれぞれ放射するステップと、前記出力光信号によって放射された前記ターゲットから反射された１つ以上の入力光信号を、前記光路に沿った前記光コヒーレントイメージャによって受信するステップと、
前記光コヒーレントイメージャの前記偏光変換器によって、前記入力光信号のそれぞれを、第１の偏光状態を有する第１の光成分と、前記第１の偏光状態と直交する第２の偏光状態を有する第２の光成分とに変換するステップと、
前記光コヒーレントイメージャの各視野位置で局発光によるヘテロダイン検波を行い、それにより視野位置におけるターゲットの情報を求めるために、前記光コヒーレントイメージャの光コヒーレントセンサー上の１つ以上の偏光多様化光カプラーによって、前記入力光信号の前記第１および第２の光成分を前記光コヒーレントセンサーの１つ以上のフォト検出器に導くステップと、
を有することを特徴とする光コヒーレントイメージング方法。
【請求項18】
前記出力光信号を放射するステップは、前記光源から１つ以上の光源光信号を生成するステップと、
前記偏光多様化光カプラーによって、前記ソース光信号を第１の放射偏光状態を有する各々の出力光信号に変換するステップと、
前記偏光多様化光カプラーから前記出力光信号を放射するステップと、
を有することを特徴とする請求項１７に記載の光コヒーレントイメージング方法。
【請求項19】
前記偏光多様化光カプラーから出力光信号を出力した後、前記光コヒーレントイメージャの前記偏光変換器によって前記出力光信号のそれぞれを第１の出力偏光状態から第２の出力偏光状態に変換するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の光コヒーレントイメージング方法。
【請求項20】
前記入力光信号を変換するステップは、前記入力光信号のそれぞれの前記第１の偏光状態を第１の所定の偏光角により回転させ、前記入力光信号のそれぞれの第２の偏光状態を第２の所定の偏光角により回転させることを含むことを特徴とする請求項１７に記載の光コヒーレントイメージング方法。
【請求項21】
前記入力光信号を変換するステップは、前記第１および第２の成分の各々が前記偏光多様化光カプラーのそれぞれの第１および第２のサブカプラーに入力するように、前記第１および第２の偏光状態に従って前記入力光信号のそれぞれの第１および第２の成分の少なくとも１つを空間的に変位させることを含むことを特徴とする請求項１９に記載の光コヒーレントイメージング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
［関連出願］
本出願は、２０２１年２月９日に出願された米国仮出願第６３／１４７，７３３号に対する優先権の利益を主張し、その全内容はあらゆる目的で参照により本明細書に組み込まれる。
［連邦政府の後援による研究または開発に関する陳述］
本発明は、国立科学財団から授与された助成金番号 2015160 に基づく米国政府の支援により行われました。米国政府は本発明に対して一定の権利を有します。
［技術分野］
本発明は、共通の入出力経路を有する光コヒーレントイメージャおよびコヒーレント光を感知する方法に関する。より具体的には、本発明は、偏光ダイバーシティに基づく共有入出力経路を有する光集積回路及びコヒーレント光の感知方法に関する。
本出願は、２０２１年２月９日に出願された米国仮出願第６３／１４７，７３３号に対する優先権の利益を主張し、その全内容はあらゆる目的で参照により本明細書に組み込まれる。
［連邦政府の後援による研究または開発に関する陳述］
本発明は、国立科学財団から授与された助成金番号 2015160 に基づく米国政府の支援により行われました。米国政府は本発明に対して一定の権利を有します。
［技術分野］
本発明は、共通の入出力経路を有する光コヒーレントイメージャおよびコヒーレント光を感知する方法に関する。より具体的には、本発明は、偏光ダイバーシティに基づく共有入出力経路を有する光集積回路及びコヒーレント光の感知方法に関する。
【背景技術】
【0002】
光コヒーレントイメージャは、光検出器のアレイ（本明細書では「センサー」と呼ぶ。）と光源（通常はレーザーなどのコヒーレント光源）を含むアクティブイメージングシステムである。光源はターゲットの照明の目的を果たすだけでなく、光コヒーレント検出 (「光ヘテロダイン検出」とも呼ばれる) のための局部発振器 (LO) を提供する。このような光コヒーレントイメージャは、３Ｄ周波数変調連続波(FMCW) LIDARや光コヒーレンストモグラフィー(OCT) などの用途に使用できる。 ターゲットによって反射（または散乱）され、イメージャによって受信される照明光は、ここでは、受信された光ターゲット信号、または単にターゲット信号と呼ばれる。
【0003】
従来、光コヒーレント検出を実行するために、光コヒーレントイメージャは、イメージャのセンサーによる検出を実行する前に、バルク光学系を使用して自由空間内のLOとターゲット信号をコヒーレントに結合することによって動作する。対照的に、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）技術に基づく検出センサーを備えた光コヒーレントイメージャは、フォトニックチップ（本明細書では「ＰＩＣチップ」とも呼ばれる）上でLOとターゲット信号とを混合することを可能にする。より具体的には、ＰＩＣベースのセンサーは、ＣＣＤまたはＣＭＯＳイメージセンサなどの従来の検出アレイのアクティブ検出ピクセルの役割を果たすコヒーレント感知ユニットのアレイを備える。従来の検出アレイのようにピクセルで光検出を直接実行する代わりに、ＰＩＣベースのセンサーのコヒーレント感知ユニットは、自由空間から導波路結合器を介して自由空間からターゲット信号をＰＩＣチップ上の複数の導波路に結合する。導波路内の導波路モードとして現れるターゲット信号は、ＰＩＣチップ上に実装された様々なフォトニックコンポーネントを使用して操作および処理できる。これには、2×2光カプラーを使用したLOとのコヒーレント混合や光検出器による検出が含まれる。ここで、LOは、カプラーを介してＰＩＣチップにLO光を導入することにより、導波路モードとして現れる可能性がある。ＰＩＣチップ上でのレーザーのモノリシックおよびヘテロジニアス統合の最近の開発により、光源がＰＩＣベースのセンサーの同じＰＩＣチップ上に統合されることさえある可能性がある。
【0004】
ターゲット照明の場合、アクティブイメージャでは、(1)全視野照明と(2)走査ビームによる有限視野照明の２つのアプローチが一般的に使用される。
【0005】
全視野照明の場合、ターゲットシーンは照明光で満たされ、センサーの瞬間視野(FOV)全体がシーンから反射または散乱された光信号を受信する。全視野アプローチの利点には、センサーが通常のカメラのように画像を取得できるため、高いフレームレートと簡素化されたデータ後処理の出力フォーマットが含まれる。全視野アプローチの重大な欠点は、照射レーザーパワーが広い領域に広がり、その結果、イメージャセンサーの各感知ユニットに反射または散乱される光子が少なくなるということである。その結果、全視野アプローチではイメージャ センサーの感度が高くなることが要求され、通常はセンサーの製造に珍しい高価な材料を使用する必要がある。また、全視野アプローチは、目の安全性などの実際的な要因により、最大照射レーザー出力によって制約される距離で操作するアクティブイメージャを制限する可能性がある。
【0006】
走査ビームによる有限視野照明の場合、何らかの走査機構を使用してレーザー ビームを操作することにより、照明レーザー ビームによってターゲット シーンが走査される。各スキャン位置では、イメージャ センサーの有限の FOV のみがターゲット信号を受信する。この有限のFOVは、照射レーザー ビームのスポットサイズとイメージャの結像光学系に依存する。有限視野照明アプローチで使用される FOVが小さいため、レーザー出力がより小さい領域に集中し、その結果、対応する FOVでイメージャセンサーによって受け取られる光子が多くなる。したがって、有限フィールド照明アプローチは、通常、同じ照明レーザー出力が与えられた全視野照明アプローチよりも長距離でアクティブイメージャを動作させることができる。
【0007】
ＰＩＣベースのセンサーを利用し、有限視野照明アプローチで動作する光コヒーレントイメージャの場合、イメージャの製造コストを下げるために、ビーム走査機構がセンサーの同じＰＩＣチップ上に実装されるとよい。ＰＩＣチップ上で実装可能な一般的なビーム走査機構は、光フェーズドアレイ(OPA)を含む。それにもかかわらず、ビーム走査機構用のフォトニックコンポーネント（ここでは「送信機」という）は、通常、ＰＩＣベースのセンサーの自由空間対導波路結合器（ここでは「受信機」という）を含む検出領域から離れたＰＩＣチップの領域に実装される。このような分離により、照明光ビームをそれぞれターゲットに向け、受信機へのターゲット信号の結合を最大化するために、別個の光学システムが送信機と受信機のために必要とされる場合がある。
【0008】
有限視野照明を利用する光コヒーレントイメージャでは、送信機と受信機が、それぞれターゲットを照明し、ターゲット信号を受信するために同じ光学システムを共有することが望ましい場合がある。さらに望ましくは、出力プローブビームと入射ターゲット信号の光路は同じである。このような入出力パス共有イメージャの利点には、光学システムが簡素化され、送信機と受信機間の校正が簡素化されることが含まれる。簡素化された光学システムは、より具体的にはイメージャがビーム走査プロセス中にターゲットから信号を受信するコヒーレント感知ユニットにのみLO光を供給できるようにすることで、レーザーパワーのより効率的な使用につながる可能性がある。
【0009】
［参考文献］
1. Lawrence C. Gunn, III、Thierry J. Pinguet、Maxime J. Rattier、および Jeremy Witzens、「POLARIZATION SPLITTING GRATING COUPLERS」、米国特許第7,006,732 B2、2003年12月12日出願。
2. Bing Shen、Peng Wang、Randy Polson、および Rajesh Menon、「効率的かつコンパクトな自由空間と導波路の結合のための統合メタマテリアル」、Optics Express、Vol.22、27175-27182ページ（2014年）。
3. Xia ChenおよびHon K. Tsang、「シリコン・オン・インシュレーター・ナノフォトニック導波路用の偏光独立格子結合器」、Optics Letters、Vol. 36、No.6、796-798ページ（2011年）。
4. Junming Zhao、Lianhong Zhang、Jensen Li、Yijun Feng、Any Dyke、Sajad Haq、Yang Hao、「フィールド変換アプローチに基づく広角マルチオクターブ広帯域波長板」、Scientific Reports、5、17532 (2015年) 。
5. Paolo Pintus、Duanni Huang、Paul Adrian Morton、Yuya Shoji、Tetsuya Mizumoto、John E. Bowers、「Ce:YIG 結合によるシリコンフォトニクスにおけるブロードバンドTE光アイソレータおよびサーキュレータ」、Journal of Lightwave Technology、Vol.37、No.5、p.1463（2019年）。
1. Lawrence C. Gunn, III、Thierry J. Pinguet、Maxime J. Rattier、および Jeremy Witzens、「POLARIZATION SPLITTING GRATING COUPLERS」、米国特許第7,006,732 B2、2003年12月12日出願。
2. Bing Shen、Peng Wang、Randy Polson、および Rajesh Menon、「効率的かつコンパクトな自由空間と導波路の結合のための統合メタマテリアル」、Optics Express、Vol.22、27175-27182ページ（2014年）。
3. Xia ChenおよびHon K. Tsang、「シリコン・オン・インシュレーター・ナノフォトニック導波路用の偏光独立格子結合器」、Optics Letters、Vol. 36、No.6、796-798ページ（2011年）。
4. Junming Zhao、Lianhong Zhang、Jensen Li、Yijun Feng、Any Dyke、Sajad Haq、Yang Hao、「フィールド変換アプローチに基づく広角マルチオクターブ広帯域波長板」、Scientific Reports、5、17532 (2015年) 。
5. Paolo Pintus、Duanni Huang、Paul Adrian Morton、Yuya Shoji、Tetsuya Mizumoto、John E. Bowers、「Ce:YIG 結合によるシリコンフォトニクスにおけるブロードバンドTE光アイソレータおよびサーキュレータ」、Journal of Lightwave Technology、Vol.37、No.5、p.1463（2019年）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本開示は、偏光ダイバーシティを利用することによって光信号を送信および受信するための共有パスを可能にする光集積回路（ＰＩＣ）上に実装される光コヒーレントイメージャを提供する。また、本開示は、イメージャの設計および校正を簡素化するための光コヒーレント感知ユニットのアレイを含む光コヒーレントイメージャ、および光コヒーレントイメージャによるコヒーレント感知のための方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0011】
一態様では、本開示は、複数のコヒーレント感知ユニットと、コヒーレント感知ユニット上に配置された偏光変換器とを備える光コヒーレントセンサーを提供する。コヒーレント感知ユニットのそれぞれは、第１の偏光状態を有する光信号を自由空間と第１の導波路との間で方向付けることができ、第２の偏光状態を有する光信号を自由空間と第１の導波路との間で方向付けることができる偏光多様化光カプラーと、第１および第２の導波路のうちの少なくとも１つを介して偏光多様化光カプラーに光学的に結合された１つまたは複数の２×２光カプラーと、2×2光カプラーに光学的に結合された１つまたは複数の光検出器とを含む。
【0012】
一実施形態では、偏光多様化光カプラーは、第１のサブカプラーと第２のサブカプラーを備える。
【0013】
一実施形態では、第１および第２のサブカプラーのうちの１つは、所定の偏光状態の光信号と最適に結合する偏光依存性であり、第１および第２のサブカプラーのうちの他方は、あらゆる偏光状態の光信号と最適に結合する偏光独立性である。
【0014】
一実施形態では、第２のサブカプラーは、第１のサブカプラー上に配置され、第１のサブカプラーから垂直に分離されている。
【0015】
一実施形態では、第１および第２のサブカプラーはフォトニック基板上に配置され、互いに横方向に分離されている。
【0016】
一実施形態では、偏光変換器は、第１および第２のサブカプラーのうちの１つから出力光信号を自由空間内の光路に導き、光路からの入力光信号を第１の偏光状態を有する第１の光信号と、第２の偏光状態を有する第２の光信号とに分離し、第１および第２の光信号の一方または両方は、第１および第２の光信号がそれぞれ第１および第２のサブカプラーに入射するように、偏光変換器によって空間的に変位される。
【0017】
一実施形態では、偏光変換器は、少なくとも１つの偏光依存ビームセパレータを備える。
【0018】
一実施形態では、偏光変換器は、直線偏光された光信号を所定の角度だけ回転させる１つまたは複数の偏光変換器を備える。
【0019】
一実施形態では、偏光変換器のうちの少なくとも１つはファラデー回転子である。
【0020】
一実施形態では、偏光変換器は１つ以上の１／４波長板を備える。
【0021】
一実施形態では、偏光多様化光カプラーはさらに第３のサブカプラーを備える。 一実施形態では、第１、第２、および第３のサブカプラーはフォトニック基板上に配置され、互いに横方向に分離されている。
【0022】
一実施形態では、偏光変換器は、第１、第２、および第３のサブカプラーのうちの１つから出力する光信号を自由空間内の光路に導き、入力光信号を第１の偏光状態を有する第１の光信号と第２の偏光状態を有する第２の光信号とに光路から分離し、第１および第２の光信号の一方または両方は、第１および第２の光信号がそれぞれ第１、第２および第３のサブカプラーのうちの２つに入射するように、偏光変換器によって空間的に変位される。
【0023】
一実施形態では、偏光多様化光カプラーはさらに第４のサブカプラーを備える。
【0024】
一実施形態では、偏光変換器は、第１、第２、第３、および第４のサブカプラーのうちの２つから出力光信号を自由空間内の光路に導き、入力光信号を光路から第１の偏光状態を有する第１の光信号と、第２の偏光状態を有する第２の光信号に分離する。第１および第２の光信号の一方または両方が、第１、第２、第３、および第４のサブカプラーのうちの２つにそれぞれ入射するように、偏光変換器によって空間的に変位される。
【0025】
別の態様では、本開示は、上述の光コヒーレントセンサーと、複数のレンズを含む結像光学系とを備える光コヒーレントイメージャを提供する。結像光学系は、光コヒーレントセンサーが結像光学系の像面に近接して配置されるように配置される。
【0026】
さらに別の態様では、本開示は、光コヒーレントイメージャから、光コヒーレントイメージャの１つ以上の視野位置にそれぞれ対応する１つ以上の光路に沿って、１つ以上の出力光信号を１つ以上のターゲットにそれぞれ放射するステップと、
出力光信号によって照射されたターゲットから反射された１つまたは複数の入力光信号を、光路に沿った光コヒーレントイメージャによって受信するステップと、
光コヒーレントイメージャの偏光変換器によって、入力光信号のそれぞれを、第１の偏光状態を有する第１の光学コンポーネントと、第１の偏光状態と直交する第２の偏光状態を有する第２の光学コンポーネントとに変換するステップと、
光コヒーレントイメージャの光コヒーレントセンサー上の１つまたは複数の偏光多様化光カプラーによって、入力光信号の第１および第２の光成分を光コヒーレントセンサーの１つまたは複数の光検出器に導くステップと、
光コヒーレントイメージャの各視野位置で局発光によるヘテロダイン検波を行うことで、視野位置におけるターゲットの情報を決定するために、光コヒーレントイメージャの光コヒーレントセンサー上の１つまたは複数の偏光多様化光カプラーによって、入力光信号の第１および第２の光成分を光コヒーレントセンサーの１つまたは複数の光検出器に導くステップと、
を含む光コヒーレントイメージングのための方法を提供する。
出力光信号によって照射されたターゲットから反射された１つまたは複数の入力光信号を、光路に沿った光コヒーレントイメージャによって受信するステップと、
光コヒーレントイメージャの偏光変換器によって、入力光信号のそれぞれを、第１の偏光状態を有する第１の光学コンポーネントと、第１の偏光状態と直交する第２の偏光状態を有する第２の光学コンポーネントとに変換するステップと、
光コヒーレントイメージャの光コヒーレントセンサー上の１つまたは複数の偏光多様化光カプラーによって、入力光信号の第１および第２の光成分を光コヒーレントセンサーの１つまたは複数の光検出器に導くステップと、
光コヒーレントイメージャの各視野位置で局発光によるヘテロダイン検波を行うことで、視野位置におけるターゲットの情報を決定するために、光コヒーレントイメージャの光コヒーレントセンサー上の１つまたは複数の偏光多様化光カプラーによって、入力光信号の第１および第２の光成分を光コヒーレントセンサーの１つまたは複数の光検出器に導くステップと、
を含む光コヒーレントイメージングのための方法を提供する。
【0027】
一実施形態では、出力光信号を放射することは、光源から１つ以上の光源光信号を生成するステップと、偏光多様化光カプラーによって、ソース光信号を第１の放射偏光状態を有する各々の出力光信号に変換するステップと、偏光多様化光カプラーから出力光信号を放射するステップとを含む。
【0028】
一実施形態では、偏光多様化光カプラーから出力光信号を出力した後、本方法は、光コヒーレントイメージャの偏光変換器によって出力光信号のそれぞれを第１の出力偏光状態から第２の出力偏光状態に変換するステップをさらに含む。
【0029】
一実施形態では、入力光信号を変換することは、入力光信号のそれぞれの第１の偏光状態を第１の所定の偏光角だけ回転させ、入力光信号のそれぞれの第２の偏光状態を第２の所定の偏光角だけ回転させることを含む。
【0030】
一実施形態では、入力光信号を変換することは、第１および第２の偏光状態に従って、入力光信号のそれぞれの第１および第２の成分の少なくとも１つを空間的に変位させ、その結果、第１および第２の成分は、それぞれ、偏光多様化光カプラーのそれぞれの第１および第２のサブカプラーに入射することを含む。
【図面の簡単な説明】
【0031】
当業者は、図面が主に例示を目的としており、開示された主題の範囲を限定することを意図していないことを理解する。図面は必ずしも縮尺どおりではない。場合によっては、開示された主題の様々な態様が、異なる特徴の理解を容易にするために、図面において誇張または拡大されて示される場合がある。
【図1A】本開示の一実施形態による偏光ダイバーシティに基づいて光信号を送受信するためのコヒーレント感知ユニットを示す平面図である。
【図1B】本開示の一実施形態による偏光多様化自由空間対導波路結合器を示す斜視図である。
【図2】本開示の別の実施形態による偏光多様化自由空間対導波路結合器を示す斜視図である。
【図3】本開示のさらなる実施形態による偏光多様化自由空間対導波路結合器を示す斜視図である。
【図4A】本開示の一実施形態による光信号を内部結合するための偏光分離構成を示す側面図である。
【図5A】本開示の一実施形態によるファラデー効果によって実現される偏光変換構成を示す斜視図である。
【図6A】本開示の別の実施形態による１／４波長板によって実現される偏光変換構成を示す斜視図である。
【図7A】本開示の別の実施形態による偏光ダイバーシティに基づいて光信号を送受信するためのコヒーレント感知ユニットを示す平面図である。
【図7B】本開示のさらに別の実施形態による偏光ダイバーシティに基づいて光信号を送受信するためのコヒーレント感知ユニットを示す平面図である。
【図8】本開示のさらなる実施形態による偏光ダイバーシティに基づいて光信号を送受信するためのコヒーレント感知ユニットを示す平面図である。
【図9】本開示のさらに別の実施形態による偏光ダイバーシティに基づいて光信号を送受信するためのコヒーレント感知ユニットを示す平面図である。
【図10A】本開示の一実施形態による３つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器を示す上面図である。
【図10C】本開示の一実施形態による光信号を結合するための３つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器とともに使用するための偏光変換分離構成を示す側面図である。
【図11A】本開示の別の実施形態による３つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器を示す斜視図である。
【図11B】本開示の別の実施形態による光信号を結合するための３つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器とともに使用するための偏光変換分離構成を示す側面図である。
【図12A】本開示のさらなる実施形態による光信号を結合するための３つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器とともに使用するための偏光変換分離構成を示す側面図である。
【図13A】本開示のさらなる実施形態による３つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器を示す上面図である。
【図13C】本開示のさらなる実施形態による光信号を結合するための３つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器とともに使用するための偏光変換分離構成を示す側面図である。
【図14】本開示の一実施形態による偏光ダイバーシティに基づいて光信号を送受信するためのコヒーレント感知ユニットの平面図を示し、送信される光信号の偏光は調整可能である。
【図15A】本開示の一実施形態による４つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器を示す上面図である。
【図15C】本開示の一実施形態による光信号を結合するための４つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器とともに使用するための偏光変換分離構成を示す側面図である。
【図16A】本開示の別の実施形態による４つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器を示す上面図である。
【図16C】本開示の別の実施形態による光信号を結合するための４つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器とともに使用するための偏光変換分離構成を示す側面図である。
【図17A】本開示のさらなる実施形態による４つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器を示す斜視図である。
【図17B】本開示のさらなる実施形態による光信号を結合するための４つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器とともに使用するための偏光変換分離構成を示す側面図である。
【図18A】本開示の一実施形態によるコヒーレント光センサーを示す平面図である。
【図18B】本開示の一実施形態によるコヒーレント感知アレイのコヒーレント感知ユニットの行を示す図である。
【図19A】本開示の別の実施形態によるコヒーレント光センサーを示す平面図である。
【図19B】本開示の一実施形態によるコヒーレント感知ユニットグループを示す平面図である。
【図20A】本開示のさらなる実施形態によるコヒーレント光センサーの平面図を示す。
【図20B】本開示の別の実施形態によるコヒーレント感知ユニットグループを示す平面図である。
【図20C】本開示の一実施形態によるマッハツェンダー干渉計ベースの光スイッチを示す平面図である。
【図21A】本開示の一実施形態による光コヒーレントイメージャを示す側面図である。
【図22A】本開示の別の実施形態による光コヒーレントイメージャを示す側面図である。
【図22B】本開示の実施形態による角度変位をもたらす偏光依存ビームセパレータを通って伝播する光線と、横変位をもたらす偏光依存ビームセパレータを通って伝播する光線を示す側面図である。
【図23】本開示の一実施形態による光信号を送信および受信するための共有パスを可能にする偏光多様化を使用する光コヒーレントイメージングの方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0032】
以下の詳細な説明には、本開示の実施形態を示すシステム、方法、技術、および指示シーケンスが含まれる。以下の説明では、説明の目的で、本発明の主題のさまざまな実施形態の理解を提供するために、多くの特定の詳細が記載される。しかしながら、本発明の主題の実施形態は、これらの特定の詳細の有無に関わらず実施できることが当業者には明らかである。一般に、当業者によく知られている指示インスタンス、プロトコル、構造、および技術は、必ずしも詳細に示されているわけではない。
【0033】
図１Ａは、本開示の一実施形態による偏光ダイバーシティに基づいて光信号を送受信するためのコヒーレント感知ユニット１００を示す平面図である。複数のコヒーレント感知ユニット１００を使用して、光コヒーレントイメージャのコヒーレントセンサアレイを形成することができる。図１Ｂは、本開示の一実施形態によるコヒーレント感知ユニット１００の偏光波多様化自由空間対導波路結合器１０１を示す斜視図である。コヒーレント感知ユニット１００は、フォトニック基板上にフォトニック集積回路（ＰＩＣ）技術を使用して実装されるとよい。フォトニック基板の表面は、図１Ａおよび図１Ｂに示される座標系のｘ軸およびｙ軸によって広がる平面によって表すことができる。フォトニック基板上に実装されたコヒーレント感知ユニット１００のフォトニックコンポーネントは、クラッディングで覆われていても覆われていなくてもよい。このようなコンポーネントは、クラッディングに埋め込まれてもよいし、埋め込まれなくてもよい。簡単にするために、フォトニック基板およびクラッディングは図１Ａおよび図１Ｂには示されてなく、それは本開示の他の図においても同様である。さらに、本開示の以下の説明では、光コヒーレントイメージャによって検出されるターゲットは、基板表面、及び該当する場合は基板表面の上の任意の光学部品から離れた正のｚ方向に沿った位置に位置するとみなされる。簡略化のため、ターゲットは図面には明示的に示されていない。
【0034】
ＰＩＣチップ上のフォトニック導波路には、リッジ導波路、リブ導波路、埋め込み導波路、スロット導波路などのさまざまな一般的な設計があるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態によれば、本開示のコヒーレント感知ユニット１００の導波路は、図１Ａおよび図１Ｂに示す実施形態の座標系に従って、ｘ-ｙ平面上の寸法よりも小さいｚ方向に沿った寸法で製造され、横電気（ＴＥ）モード、横磁気（ＴＭ）モード、ＴＥおよびＴＭモードが含まれる様々な導波路モードをサポートするように作られるとよいが、これらに限定されない。ここで、ＴＥモードは、モードの伝播方向および導波路が存在するフォトニック基板の表面に対して横方向の支配的な電場成分を有する導波路モードを指す場合があり、一方、ＴＭモードは、モードの伝播方向および導波路が存在するフォトニック基板の表面に対して横方向の支配的な磁場成分を有する導波路モードを指す場合がある。当業者は、導波路のそのような一般的な設計およびこれらの導波路によってサポートされる様々なモードに精通しているはずである。
【0035】
図１Ａに示すように、光源信号ＥＳは、導波路１２１を通してコヒーレント感知ユニット１００に供給されるとよい。一方、局部発振器（ＬＯ）ＥＬＯは、導波管１２３を通してコヒーレント感知ユニット１００に供給されるとよい。光源信号 ＥＳとＬＯ ＥＬＯは、同じ光源から来ている場合とそうでない場合があり、ここで、光源は、コヒーレント感知ユニット１００を備えた同じＰＩＣチップ上に実装されてもよいし、実装されなくてもよい。いくつかの実施形態によれば、コヒーレント感知ユニット１００を備えたＰＩＣチップの導波路内で光源信号ＥＳおよびＥＬＯを生じさせる光源（または複数の光源）を結合するためのシステムおよび方法の適切な設計によって、光源信号ＥＳは、導波路１２１内で基本ＴＥモードとして現れるようにすることができ、ＬＯ ＥＬＯは、導波路１２３内で基本ＴＥモードとして現れるようにすることができる。このような設計は当業者にはよく知られている。 他の実施形態によれば、光源信号ＥＳは、導波路１２１内で基本ＴＥモード以外のＴＭモードまたはＴＥモードとして意図的に現れるようにすることができる。
同様に、いくつかの実施形態によれば、ＬＯ ＥＬＯは、導波路１２３内の基本ＴＥモード以外のＴＭモードまたはＴＥモードとして意図的に現れるようにすることができる。
同様に、いくつかの実施形態によれば、ＬＯ ＥＬＯは、導波路１２３内の基本ＴＥモード以外のＴＭモードまたはＴＥモードとして意図的に現れるようにすることができる。
【0036】
図１Ａに示すように、偏光多様化自由空間対導波路結合器１０１（以下、簡単にするために「結合器１０１」と呼ぶ）は、送信機および受信機の両方として機能するとよい。それは導波路１２１および１２２に接続された２つの導波路結合器であり、導波路１２１の主な役割は信号光を結合器１０１に導くことであり、導波路１２２の主な役割は結合器１０１からの内部結合光を受信することである。ただし、いくつかの実施形態によれば、結合器１０１からの内部結合光も導波路１２１に向けることができる。したがって、結合器１０１に関して、導波路１２１は出力結合導波路と見なされ、導波路１２２は入力結合導波路と見なされるとよい。
偏光多様化自由空間対導波路結合器１０１の顕著な特徴は、結合器１０１に到着する入力光信号（図１ＡのＥｉｎ）の偏光状態が、結合器１０１から出力される出力光信号（図１ＡのＥｏｕｔ）の偏光状態と直交する場合、入力光信号は、出力結合導波路（図１Ａの導波路１２１）とは異なる入力結合導波路（図１Ａの導波路１２２）に内部結合され、向けられることである。ここおよび今後、自由空間とは、真空、空気、結合器の表面上の領域、またはその中を伝播する光信号の波長よりもはるかに長い長さスケール（たとえば、少なくとも10倍）を持つ境界を持つ任意の均質媒体を指す場合がある。
偏光多様化自由空間対導波路結合器１０１の顕著な特徴は、結合器１０１に到着する入力光信号（図１ＡのＥｉｎ）の偏光状態が、結合器１０１から出力される出力光信号（図１ＡのＥｏｕｔ）の偏光状態と直交する場合、入力光信号は、出力結合導波路（図１Ａの導波路１２１）とは異なる入力結合導波路（図１Ａの導波路１２２）に内部結合され、向けられることである。ここおよび今後、自由空間とは、真空、空気、結合器の表面上の領域、またはその中を伝播する光信号の波長よりもはるかに長い長さスケール（たとえば、少なくとも10倍）を持つ境界を持つ任意の均質媒体を指す場合がある。
【0037】
送信機として、結合器１０１は、導波路１２１からの光源信号ＥＳを出力光信号Ｅｏｕｔとして自由空間に結合し、光コヒーレントイメージャによるターゲット照明に使用することができる。結合器１０１によって出力される出力光信号Ｅｏｕｔは、ｘ-ｙ平面外の方向に伝播し（すなわち、Ｅｏｕｔの伝播方向はゼロ以外のｚ成分を有する）、結合器１０１の設計によって決定される偏光とともに偏光される。いくつかの実施形態によれば、偏光は、結合器１０１の設計によって定義される座標系に従って、一対の直交直線偏光のうちの１つであるとよい。ここで、座標系は、図１Ａおよび図１Ｂに示すｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸によって定義される座標系と同じであっても、異なっていてもよい。他の実施形態によれば、偏光は、限定されないが、右円偏光および左円偏光、および２つの直交楕円偏光など、一対の直線偏光以外の一対の直交偏光のうちの１つであってもよい。
【0038】
受信機として、結合器１０１は、入力光信号Ｅｉｎをコヒーレント感知ユニット１００に結合することができる。入力光信号Ｅｉｎは、本質的に、前述したターゲット（またはターゲット信号）からの光信号である。結合器１０１によって結合された入力光信号Ｅｉｎは、入力光信号Ｅｉｎの偏光状態に応じて、導波路１２１および１２２のいずれかまたは両方に向けることができる。導波路１２１および１２２に結合される入力光信号Ｅｉｎの偏光成分は、結合器１０１の設計に依存する。いくつかの実施形態によれば、出力光信号Ｅｏｕｔの偏光に直交する入力光信号Ｅｉｎの第１の偏光成分は、内部結合光信号Ｅｉｎ（ｗｇ）１として導波路１２２に導かれるとよい。入力光信号Ｅｉｎの第１の偏光と直交する入力光信号Ｅｉｎの第２の偏光成分は、内部結合光信号Ｅｉｎ（ｗｇ）２として導波路１２１に導かれるとよい。結合器１０１に内部結合される２つの偏光成分についてのさらなる詳細は、図１Ｂを参照して以下で説明される。内部結合された光信号Ｅｉｎ（ｗｇ）１は、コヒーレント感知ユニット１００の残りの回路によって処理されるとよい。図１Ａに示すように、内部結合光信号Ｅｉｎ（ｗｇ）２は、光源信号ＥＳの伝播方向と反対の方向に伝播する。いくつかの実施形態によれば、内部結合光信号Ｅｉｎ（ｗｇ）２は、感知ユニット１００を備えるＰＩＣチップの他の部分に影響を与えることなく放置されるとよい。いくつかの実施形態によれば、例えば図７Ａに示される実施形態などであるが、これに限定されない。図７Ａに示されるように、内部結合された光信号Ｅｉｎ（ｗｇ）２は、感知ユニット７００を備えるＰＩＣチップの他のいくつかの部分によって処理されるとよい。
【0039】
図１Ａでは、結合器１０１は単一の実体として描かれているが、結合器１０１は単一のフォトニックコンポーネントまたは複数のフォトニックコンポーネントを含んでもよい。いくつかの態様では、結合器１０１は、偏光分割自由空間対導波路結合器によって実現されるとよい。偏光分割自由空間対導波路結合器の例としては、米国特許第７，００６，７３２号「偏光分割格子結合器」、および「効率的でコンパクトな自由空間と導波路の結合のための統合メタマテリアル」Optics Express 22、27175-27182 (2014) に記載されているメタマテリアルベースの偏光分割自由空間と導波路の結合器に記載されているような偏光分割格子結合器が挙げられるが、これに限定されない。偏光分割自由空間対導波路結合器の他の例としては、プラズモニック効果、フォトニックマイクロ／ナノ構造、あるいはその両方を通じて実現されるものが挙げられるが、これらに限定されない。結合器１０１の他の実施形態は、以下に図２および図３を参照して説明する。また、いくつかの実施形態によれば、結合器１０１は、ＴＥ－ＴＭモードコンバータ、スプリッタ、およびコンバイナのいずれかを備えるとよい。いくつかの態様では、結合器１０１は、フォトニック材料の単一層を含んでもよい。他の態様では、結合器１０１は複数のフォトニック材料層を含んでもよく、異なる層のフォトニック材料は同じであっても異なっていてもよい。
【0040】
図１Ｂを参照すると、いくつかの実施形態によれば、結合器１０１に向かって伝播する光源信号ＥＳは、導波路１２１内で横電気（ＴＥ）モードとして現れるとよい。一例として、図１Ｂに示す光源信号ＥＳは、ｘ方向に沿った支配的な電界成分を伴って、負のｙ方向に向かって伝播する。次に、結合器１０１は、光源信号ＥＳを自由空間に結合して、結合器１０１の設計によって決定された偏光に従って偏光された出力光信号Ｅｏｕｔを生じさせることができる。例えば、出力光信号Ｅｏｕｔは、図１Ｂのｘ方向に沿って直線偏光することができる。いくつかの場合では、出力光信号Ｅｏｕｔは基板表面に対して垂直な方向に伝播するとよい。たとえば、図１Ｂに示すＥｏｕｔ はz方向に伝播する。また、出力光信号Ｅｏｕｔが基板表面に対して垂直でない方向、すなわち基板表面に対して斜めの方向に伝播する場合もある。
【0041】
図１Ｂに示すように、入力光信号Ｅｉｎは、２つの直交偏光成分、すなわち第１の偏光成分Ｅｉｎ１および第２の偏光成分Ｅｉｎ２のうちの一方または両方を含むとよい。入力光信号Ｅｉｎが第１の偏光成分Ｅｉｎ１のみを含む場合、第２の偏光成分Ｅｉｎ２の振幅はゼロであり、その逆も同様であることが理解される。結合器１０１は、第１の偏光成分Ｅｉｎ１が内部結合され、内部結合された光信号Ｅｉｎ（ｗｇ）１として導波路１２２に導かれるように設計されるとよい。ここで、第１の偏光成分Ｅｉｎ１は、出力光信号Ｅｏｕｔの偏光と直交する。同様に、結合器１０１は、第２の偏光成分Ｅｉｎ２が内部結合され、内部結合された光信号Ｅｉｎ（ｗｇ）２として導波路１２１に導かれるように設計されるとよい。これは、光源信号ＥＳの伝播方向と反対の方向に伝播する。内部結合され導波路１２２に導かれる第１の偏光成分Ｅｉｎ１は、出力光信号Ｅｏｕｔの偏光に直交する一方、内部結合され導波路１２１に導かれる第２の偏光成分Ｅｉｎ２は、第１の偏光波Ｅｉｎ１に直交する。出力光信号Ｅｏｕｔおよび入力光信号Ｅｉｎは同じ方向または異なる方向に沿って伝播する可能性があるため、第２の偏光Ｅｉｎ２は出力光信号Ｅｏｕｔの偏光と（比例係数まで）同じであっても異なっていてもよい。導波路１２１および１２２に結合される入力光信号Ｅｉｎの特定の偏光成分は、結合器１０１の設計に依存する。
【0042】
いくつかの実施形態によれば、結合器１０１は、結合偏光基準と呼ばれる好ましい偏光基準に従って光信号を最適に内部結合するように設計されるとよい。いくつかの実施形態によれば、結合偏光基準の成分の１つは、結合器１０１によって出力される出力光信号Ｅｏｕｔの偏光と同じであってもよい。例えば、図１Ｂに示すように、結合偏光基準は直線偏光基準（例えば、ｘ偏光およびｙ偏光）であってもよい。そして、結合器１０１は、入力光信号Ｅｉｎの第１の直線偏光成分Ｅｉｎ１（例えば、ｙ方向に沿って偏光された）を内部結合し、それを導波路１２２に導くことができる。ここで、第１の直線偏光成分Ｅｉｎ１は、直線偏光の出力光信号Ｅｏｕｔの偏光（例えば、ｘ方向）に直交し、結合偏光基準の第１の成分(つまり、y方向)に平行な平面（例えば、ｙ-ｚ平面）上に位置する。同様に、直線偏光基準に従って、結合器１０１は、入力光信号Ｅｉｎの第２の直線偏光成分Ｅｉｎ２（例えば、図１Ｂのｘ-ｚ平面上の方向に沿った）を内部結合し、それを導波路１２１に向けることができる。ここで、第２の直線偏光成分Ｅｉｎ２は、直線偏光の出力光信号Ｅｏｕｔの偏光（すなわち、ｘ方向）および結合偏光基準の第２の成分（すなわち、ｘ方向）に平行な平面（すなわち、ｘ-ｚ平面）上にあり、第２の偏光Ｅｉｎ２は第１の偏光Ｅｉｎ１と直交する。
【0043】
結合器１０１は、自由空間からの入力光信号成分Ｅｉｎ１を結合して、導波路１２２内に内部結合光信号Ｅｉｎ（ｗｇ）１を生じさせることができる。いくつかの実施形態によれば、内部結合された光信号Ｅｉｎ（ｗｇ）１は、導波路１２２内でＴＥモードとして現れることができる。一例として、内部結合された光信号 Ｅｉｎ（ｗｇ）１ は、y方向に沿った支配的な電界成分とともに図１Ｂの正のx方向に向かって伝播する。同様に、結合器１０１は、自由空間からの入力光信号成分Ｅｉｎ２を結合して、導波路１２１内に内部結合光信号Ｅｉｎ（ｗｇ）２を生じさせることができる。いくつかの実施形態によれば、内部結合された光信号Ｅｉｎ（ｗｇ）２は、導波路１２１内でＴＥモードとして現れることができる。一例として、内部結合された光信号Ｅｉｎ（ｗｇ）２は、x方向に沿った支配的な電界成分とともに図１Ｂの正のy方向に向かって伝播する。
【0044】
いくつかの態様では、導波路１２２内に内部結合された光信号Ｅｉｎ（ｗｇ）１が存在する場合、それは単一導波路モードとして現れるとよい。いくつかの実施形態によれば、単一導波路モードは基本ＴＥモードであってもよい。他の実施形態によれば、単一導波路モードは基本ＴＭモードであってもよい。さらなる実施形態によれば、単一導波路モードは、基本ＴＥモードまたは基本ＴＭモード以外のモードであってもよい。他の態様では、導波路１２２内に内部結合された光信号Ｅｉｎ（ｗｇ）１が存在する場合、それは複数の導波路モードの組み合わせとして現れる可能性がある。
【0045】
同様に、いくつかの態様では、導波路１２１内に内部結合された光信号Ｅｉｎ（ｗｇ）２が存在する場合、それは単一導波路モードとして現れるとよい。いくつかの実施形態によれば、単一導波路モードは基本ＴＥモードであってもよい。他の実施形態によれば、単一導波路モードは基本ＴＭモードであってもよい。さらなる実施形態によれば、単一導波路モードは、基本ＴＥモードまたは基本ＴＭモード以外のモードであってもよい。他の態様では、導波路１２１内に内部結合された光信号Ｅｉｎ（ｗｇ）２が存在する場合、それは複数の導波路モードの組み合わせとして現れる可能性がある。
【0046】
結合器１０１は、光信号の直交偏光成分を２つの別個の導波路１２１および１２２に分離することを目的としているが、結合器１０１のいくつかの実施形態ではクロスカップリングが発生する可能性があることは珍しいことではない。例えば、図１Ｂを参照すると、たとえ入力光信号Ｅｉｎが、Ｅｏｕｔの偏光に直交する方向に沿って直線偏光され、直線偏光基準の第１成分 (例:入力光信号はＥｉｎ１)に平行な平面上にあるとしても、導波路１２２に導かれるＥｉｎの一部に加えて、ゼロ以外のＥｉｎの一部が導波路１２１に導かれることがある。同様に、いくつかの実施形態では、入力光信号Ｅｉｎが、Ｅｏｕｔの偏光および直線偏光基準の第２の成分（例えば、入力光信号はＥｉｎ２である）に平行な平面上にある方向に沿って直線偏光され得るとしても、導波路１２１に導かれるＥｉｎの一部に加えて、ゼロ以外のＥｉｎの一部が導波路１２２に導かれることがある。さらに、いくつかの実施形態では、結合器１０１によって出力光信号Ｅｏｕｔとして自由空間に結合されたＥＳの一部に加えて、導波路１２１内のＥＳのゼロ以外の少量が、結合器１０１を介して直接導波路１２２に伝播してもよい。このようなクロスカップリングは、結合器１０１の設計の不完全性とみなされる場合がある。いくつかの実施形態によれば、結合器１０１は、クロスカップリングを最小化しながら、それぞれの偏光成分とそれらの意図された導波路との結合を最大化するように設計されるとよい。
【0047】
いくつかの実施形態によれば、たとえ、図１Ｂでは、ＥｏｕｔとＥｉｎが結合器１０１の表面上の異なる空間位置に描かれているとしても、入力光信号Ｅｉｎは、結合器１０１から放射される出力光信号Ｅｏｕｔの空間的位置と同じ結合器１０１の表面上の空間的位置で結合器１０１に結合されるとよい。他の実施形態によれば、入力光信号Ｅｉｎは、結合器１０１から放射される出力光信号Ｅｏｕｔの空間的位置とは異なる、結合器１０１の表面上の空間的位置で結合器１０１に結合されるとよい。
【0048】
いくつかの態様では、結合器１０１は、出力光信号Ｅｏｕｔを自由空間に放射し、同時に入力光信号Ｅｉｎを感知ユニット１００に結合することができる。他の態様では、結合器１０１は、異なる時点で出力光信号Ｅｏｕｔを自由空間に放射し、入力光信号Ｅｉｎを感知ユニット１００に結合することができる。一般に、光信号ＥｉｎおよびＥｏｕｔは、同じ方向に沿って伝播してもよいし、異なる方向に沿って伝播してもよいが、図１Ｂでは、光信号ＥｉｎおよびＥｏｕｔは異なる方向に沿って伝播するように描かれている。
【0049】
図１Ａに戻って参照すると、コンポーネント１０２は、導波路１２２からの内部結合光信号Ｅｉｎ（ｗｇ）１と導波路１２３からのＬＯ ＥＬＯとを混合し、混合された信号を分割して導波路１２４および１２５に向ける２×２光カプラーである。２×２光カプラー１０２の実施形態には、方向性結合器およびマルチモード干渉計（ＭＭＩ）が含まれるが、これらに限定されない。２×２光カプラー１０２の混合比および分岐比は、カプラー１０２の設計に依存する。いくつかの態様では、２×２光カプラー１０２は、５０／５０の分割比を有してもよい。他の態様では、２×２光カプラー１０２は、５０／５０以外の分割比を有してもよい。
【0050】
いくつかの態様では、導波路１２２内を伝播する内部結合光信号Ｅｉｎ（ｗｇ）１および導波路１２３内を伝播するＬＯ ＥＬＯは、同じ導波路モードとして現れるとよい。他の態様では、導波路１２２内を伝播する内部結合光信号Ｅｉｎ（ｗｇ）１および導波路１２３内を伝播するＬＯ ＥＬＯは、異なる導波路モードとして現れるとよい。導波路１２２内を伝播する内部結合光信号Ｅｉｎ（ｗｇ）１と導波路１２３内を伝播するＬＯ ＥＬＯが異なる導波路モードとして現れるとき、いくつかの実施形態によれば、２×２光カプラー１０２は、その入力ポート（すなわち、導波路１２２および１２３）の一方または両方に１つまたは複数のモード変換器をさらに含むことができる。これにより、導波路１２２内を伝播する内部結合光信号Ｅｉｎ（ｗｇ）１と導波路１２３内を伝播するＬＯ ＥＬＯの一方または両方を変換して、同じ導波路モードとして現れる。他の実施形態によれば、２×２光カプラー１０２は、そのようなモード変換器を含まなくてもよく、導波路１２２内を伝播する内部結合光信号Ｅｉｎ（ｗｇ）１と、異なる導波路モードとして現れる導波路１２３内を伝播するＬＯ ＥＬＯとを依然として混合し、分割し、方向付けることができる。
【0051】
図１Ａでは、コンポーネント１０３は、導波路１２４から光信号を受信して検出する二乗則光検出器（電界の二乗に比例する光信号のパワーに応答する）である。同様に、図１Ａでは、コンポーネント１０４は、導波路１２５からの光信号を受信して検出する二乗光検出器である。いくつかの実施形態によれば、２×２光カプラー１０２は５０／５０の２×２光カプラーであってもよく、カプラー１０２は光検出器１０３および１０４とともに平衡光ヘテロダイン検出装置を形成してもよい。いくつかの実施形態によれば、光検出器１０３および１０４のうちの１つは、コヒーレント感知ユニット１００から省略されてもよい。ここで、残りの他の光検出器は、５０／５０カプラーであってもそうでなくてもよいカプラー１０２とともに、単一検出器光ヘテロダイン検出装置を形成することができる。
【0052】
いくつかの実施形態によれば、光検出器１０３および１０４は、導波路１２４および１２５に接続される２つの光入力を有する単一の複合光検出器として現れるとよい。２つの光入力を備えた結合光検出器は、２つの入力からの光信号の強度、強度の合計、および強度の差のうちの任意の１つまたは複数を測定することができる。
【0053】
いくつかの実施形態によれば、光検出器１０３および１０４は、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）、トランジスタ、ダイオード、抵抗器、コンデンサ、および電気スイッチのうちの任意の１つまたは複数などの電子部品を備える出力電子回路に接続されるとよいが、電子部品はこれらに限定されない。出力電子回路は光検出器１０３および１０４の電気出力を処理するために使用される。この出力電子回路は図１Ａには示されていない。
【0054】
図１Ａでは、コヒーレント感知ユニット１００は、位相、振幅、周波数、波長、時間制御のいずれか 1 つ以上のために、電気光学コンポーネントおよび熱光学コンポーネントのうちの任意の１つまたは複数を含む、明示的に示されていないコンポーネントを備えるとよい。電気光学コンポーネントおよび熱光学コンポーネントはこれらに限定されない。
【0055】
図２は、本開示の別の実施形態による偏光多様化自由空間対導波路結合器２００を示す斜視図である。結合器２００は、ＰＩＣチップの異なる層上に実装された２つのサブカプラー２０１および２０２を備える。いくつかの実施形態によれば、２つのサブカプラー２０１または２０２のうちの１つは、光信号を特定の偏光状態と最適に結合するように設計されるとよく、他方のサブカプラーは、光信号を対応する直交偏光状態と最適に結合するように設計されるとよい。例えば、サブカプラー２０１は、特定の方向（例えば、ｘ方向に沿って）に沿って直線偏光された入出力光信号Ｅ１を最適に結合するように設計されるとよい。一方、サブカプラー２０２は、Ｅ１の偏光に直交する方向に沿って（例えば、ｙ方向に沿って）直線偏光された入出力光信号Ｅ２を最適に結合するように設計されるとよい。サブカプラー２０１および２０２は、同じｘ-ｙ位置に位置合わせされてもよいし、位置合わせされなくてもよい。
【0056】
図２を参照すると、サブカプラー２０１は、格子結合器などの自由空間対導波路結合器であってもよいが、格子結合器には限定されない。これは、ある偏光（例えば、ｘ方向に沿った直線偏光）に従って偏光された光信号Ｅ１と最適に結合し、そのＥ１の偏光に直交する偏光（例えば、ｙ方向に沿った直線偏光）に従って偏光された光信号Ｅ２と最小限に結合してもよい。同様に、サブカプラー２０２は、格子結合器などの自由空間対導波路結合器であってもよいが、格子結合器には限定されない。これは、ある偏光（例えば、ｙ方向に沿った直線偏光）に従って偏光された光信号Ｅ２と最適に結合し、そのＥ２の偏光に直交する偏光（例えば、ｘ方向に沿った直線偏光）に従って偏光された光信号Ｅ１と最小限に結合し得る。サブカプラー２０１および２０２は、同じ設計であっても、そうでなくてもよい。一般に、サブカプラー２０１および２０２の一方に最適に結合され、他方に最小限に結合される一対の直交偏光光信号Ｅ１およびＥ２は、一対の直交直線偏光、右円偏光および左円偏光並びに一対の直交する楕円偏光のいずれであってもよい。
【0057】
図２では、直交光信号Ｅ１およびＥ２が、例示の目的で、サブカプラー２０１および２０２の表面上の異なる空間位置に描かれている。 一般に、サブカプラー２０１は、サブカプラー２０１の表面上の同じ空間位置または異なる空間位置で光信号Ｅ１と最適に結合し、Ｅ２と最小限に結合することができる。同様に、一般に、サブカプラー２０２は、サブカプラー２０２の表面上の同じ空間位置または異なる空間位置で光信号Ｅ２と最適に結合し、Ｅ１と最小限に結合することができる。
【0058】
図２では、光信号Ｅ１およびＥ２は、基板表面の平面に垂直な方向、すなわち、ｚ方向に沿って伝播するように描かれている。一般に、光信号Ｅ１およびＥ２は、基板表面の平面に対して垂直であっても垂直でなくてもよい方向に沿って伝播することができる。さらに、光信号Ｅ１とＥ２は異なる方向に沿って伝播する可能性があるが、図２では光信号Ｅ１とＥ２は同じ方向に沿って伝播するように描かれている。
【0059】
図２では、サブカプラー２０１と２０２の間の適切な垂直分離２９９を選択することによって、サブカプラー２０１と２０２の間の相互結合を最小限に抑えることができる。垂直分離２９９は、５０ナノメートルから５ミリメートルの厚さを有するフォトニック材料層（またはエアギャップ）をサブカプラー２０１と２０２の間に配置することによって形成されるとよい。一般に、分離２９９の選択は、さまざまな要因の組み合わせに依存する。この要因には、ＰＩＣ技術、製造プロセス、サブカプラー２０１と２０２の間で使用されるフォトニック材料、信号Ｅ１の波長、信号Ｅ２の波長、サブカプラー２０１の設計、およびサブカプラー２０２の設計が含まれるが、これらに限定されない。
【0060】
いくつかの実施形態によれば、サブカプラー２０１は、フォトニック材料の単一層を含んでもよい。他の実施形態によれば、サブカプラー２０１は複数のフォトニック材料層を備えてもよく、異なる層のフォトニック材料は同じであっても異なっていてもよい。同様に、いくつかの実施形態によれば、サブカプラー２０２はフォトニック材料の単一層を含んでもよい。他の実施形態によれば、サブカプラー２０２は複数のフォトニック材料層を備えてもよく、異なる層のフォトニック材料は同じであっても異なっていてもよい。
【0061】
いくつかの実施形態によれば、図１Ａのコヒーレント感知ユニット１００で使用するために、図２のサブカプラー２０１は送信機として使用され得る一方、図２のサブカプラー２０２は受信機として使用されるとよい。ここで、送信機としてのサブカプラー２０１はターゲットからより遠くにあり、受信機としてのサブカプラー２０２はターゲットに近い。このような状況では、図２の導波管２２１は、出力結合導波管として図１Ａの導波管１２１と同じ（または同等に接続）であってもよい。一方、図２の導波路２２２は、内部結合導波路として図１Ａの導波路１２２と同じ（または同等に接続）であってもよい。他の実施形態によれば、図１Ａのコヒーレント感知ユニット１００で使用するために、図２のサブカプラー２０１を受信機として使用することができ、図２のサブカプラー２０２を送信機として使用することができる。ここで、受信機としてのサブカプラー２０１はターゲットからより遠くにあり、送信機としてのサブカプラー２０２はターゲットに近い。このような状況では、図２の導波管２２１は、内部結合導波管として図１Ａの導波管１２２と同じ（または等価的に接続）であってもよく、一方、図２の導波管２２２は、出力結合導波路として図１Ａの導波管１２１と同じ（または等価的に接続）されていてもよい。
【0062】
図３は、本開示のさらなる実施形態による偏光多様化自由空間対導波路結合器３００を示す斜視図である。結合器３００は、ＰＩＣチップの同じ層上の２つの別個のカプラーとして実装された２つのサブカプラー３０１および３０２を備える。いくつかの実施形態によれば、２つのサブカプラーのうちの１つは、ある偏光状態を有する光信号と最適に結合するように設計されるとよく、他のサブカプラーは、別の偏光状態を有する光信号と最適に結合するように設計されるとよい。いくつかの実施形態によれば、２つの偏光状態は互いに直交することができる。他の実施形態によれば、２つの偏光状態は互いに直交していなくてもよい。例えば、サブカプラー３０１は、ｘ方向に沿って直線偏光された光信号Ｅ１と最適に結合するように設計されるとよく、その一方、サブカプラー３０２は、ｙ方向に沿って直線偏光された光信号Ｅ２と最適に結合するように設計されるとよい。
【0063】
図３を参照すると、サブカプラー３０１は、格子結合器のような自由空間対導波路結合器であってもよい。自由空間対導波路結合器は、特定の偏光（例えば、ｘ方向に沿った直線偏光）に従って偏光された光信号Ｅ１と最適に結合してもよく、Ｅ１の偏光と直交する偏光 (たとえば、ｙ方向に沿った直線偏光)を有する光信号と最小限に結合してもよいが、自由空間対導波路結合器は格子結合器に限定されない。同様に、サブカプラー３０２は、格子結合器のような自由空間対導波管結合器であってもよい。自由空間対導波路結合器は、特定の偏光（例えば、ｙ方向に沿った直線偏光）に従って偏光された光信号Ｅ２と最適に結合してもよく、Ｅ２の偏光と直交する偏光（例えば、ｘ方向に沿った直線偏光）を有する光信号と最小限に結合してもよいが、自由空間対導波路結合器は格子結合器に限定されない。サブカプラー３０１および３０２は、同じ設計であっても、そうでなくてもよい。
【0064】
他の実施形態によれば、サブカプラー３０１および３０２のうちの一方は、偏光状態を有する光信号と最適に結合するように設計されてもよく、他方のサブカプラーは、任意の偏光状態の光信号と最適に結合するように設計された、偏光に依存しない自由空間対導波路結合器であってもよい。偏光に依存しない自由空間対導波路結合器の例は、「絶縁体上シリコンナノフォトニック導波路用の偏光無依存格子結合器」、Optics Letters Vol. 36、No.6、p. 796 (2011)に記載されている。図３を参照すると、一方では、サブカプラー３０１は、格子結合器のような自由空間対導波路結合器であってもよい。格子結合器は、１つの偏光（例えば、ｘ方向に沿った直線偏光）に従って偏光された光信号Ｅ１と最適に結合してもよく、Ｅ１の偏光と直交する偏光（例えば、ｙ方向に沿った直線偏光）を有する光信号と最小限に結合してもより。一方、サブカプラー３０２は、任意の偏光を有する光信号Ｅ２と最適に結合する偏光に依存しない自由空間対導波路結合器であってもよい。ここで、光信号Ｅ２は光信号Ｅ１に対して直交していてもよく、そうでなくてもよい。
【0065】
図３では、サブカプラー３０１と３０２の間のクロスカップリングは、サブカプラー間の適切な横方向分離３９９を選択することによって最小限に抑えることができる。横方向分離３９９は、サブカプラー３０１および３０２を同じ基板表面上に５０ナノメートルから５ミリメートルの距離だけ離して配置することによって形成することができる。一般に、横方向の間隔３９９の選択は、要因の組み合わせに依存する。この要因には、ＰＩＣ技術、製造プロセス、サブカプラー３０１と３０２の間の媒体に使用されるフォトニック材料、信号Ｅ１の波長、信号Ｅ２の波長、カプラー３０１の設計、およびカプラー３０１の設計が含まれるが、これらに限定されない。
【0066】
いくつかの実施形態によれば、サブカプラー３０１は、フォトニック材料の単一層を含んでもよい。他の実施形態によれば、サブカプラー３０１は、フォトニック材料の複数の層を含んでもよく、異なる層のフォトニック材料は同じであっても異なっていてもよい。同様に、いくつかの実施形態によれば、サブカプラー３０２はフォトニック材料の単一層を含んでもよい。他の実施形態によれば、サブカプラ３０２は、フォトニック材料の複数の層を備えることができ、異なる層のフォトニック材料は同じであっても異なっていてもよい。
【0067】
図３では、光信号Ｅ１およびＥ２は、基板表面の平面に垂直な方向、すなわち、ｚ方向に沿って伝播するように描かれている。一般に、光信号Ｅ１およびＥ２は、基板表面の平面に対して垂直であっても垂直でなくてもよい方向に沿って伝播することができる。さらに、光信号Ｅ１およびＥ２は異なる方向に沿って伝播する可能性があるが、光信号Ｅ１およびＥ２は図３では同じ方向に沿って伝播するように描かれている。
【0068】
いくつかの実施形態によれば、図１Ａのコヒーレント感知ユニット１００で使用するために、図３のサブカプラー３０１を送信機として使用し、図３のサブカプラー３０２を受信機として使用するとよい。このような状況では、図３の導波路３２１は、出力結合導波路として図１Ａの導波路１２１と同じ（または同等に接続）であってもよい。一方、図３の導波路３２２は、内部結合導波路として図１Ａの導波路１２２と同じ（または同等に接続）であってもよい。
【0069】
図４Ａは、本開示の一実施形態による光信号を内部結合するための偏光分離構成を示す側面図である。図４Ｂは、光信号を結合するための図４Ａの偏光分離構成を示す側面図である。図４Ｃは、光信号を入力結合および出力結合するための図４Ａの偏光分離構成を示す側面図である。図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃに示す偏光分離構成は、自由空間内の共通の光路に沿って伝播させるために、図３の偏光多様化自由空間対導波路結合器３００とともに使用して、光信号Ｅ１（サブカプラー３０１と結合される）および光信号Ｅ２（サブカプラー３０２と結合して）を方向付けることができる。ここで、共通の光路は光学部品４０１とターゲットとの間にある。
【0070】
偏光分離構成は、図４Ａに示すように、偏光依存ビームセパレータ４０１を備える。いくつかの実施形態によれば、偏光依存ビームセパレータ４０１は複屈折ビームディスプレーサであってもよい。いくつかの実施形態によれば、複屈折ビームディスプレーサは、限定されないが、方解石結晶、アルファバリウムボレート結晶、バナジン酸イットリウム結晶、またはルチル結晶などの１つまたは複数の材料で作製され得る。複屈折ビームディスプレーサは当技術分野ではよく知られている。他の実施形態によれば、偏光依存ビームセパレータ４０１は、複屈折ビームディスプレーサ以外の偏光依存ビームセパレータであってもよい。これには複屈折ウェッジ、偏光ビームスプリッタ、偏光依存性回折格子、偏光依存性メタレンズなどが挙げられるが、これらに限定されない。
【0071】
いくつかの実施形態によれば、偏光依存ビームセパレータ４０１は、図４Ａに示されるような偏光多様化自由空間対導波路結合器３００を備えるＰＩＣチップとは別のコンポーネントであってもよい。他の実施形態によれば、偏光依存ビームセパレータ４０１は、結合器３００を備えるＰＩＣチップの表面に取り付けられてもよい。さらなる実施形態によれば、偏光依存ビームセパレータ４０１は、結合器３００を構成するＰＩＣチップ内にあってもよいし、その一部であってもよい。
【0072】
光信号受信の場合、図４Ａの実施形態によれば、入力光信号Ｅｉｎは、ターゲットから偏光依存ビームセパレータ４０１に到達するとよい。偏光依存ビームセパレータ４０１は、入力光信号Ｅｉｎを２つの光信号Ｅ１およびＥ２に分割することができ、光信号Ｅ１およびＥ２の偏光は互いに直交する。光信号の分割は、入力光信号の偏光に依存する場合がある。光信号Ｅ１、Ｅ２の一方は通常光線（ｏ線）であり、他方は異常光線（ｅ線）である。例えば、光信号Ｅ１はｏ線であり、光信号Ｅ２はｅ線であるとよい。複屈折ビームセパレータの場合の一般的な使用法に加えて、ここで使用される用語「ｏ線」と「ｅ線」は、一般に、偏光依存ビームセパレータ４０１によって分割された２つの直交する偏光線を指す。ここで、分割は、偏光依存ビームセパレータの特性によって定義される。
【0073】
光信号Ｅ１およびＥ２の偏光は、偏光依存ビームセパレータ４０１の材料の誘電率、光軸４９８の向き、および入力光信号Ｅｉｎの入射角に依存する。この実施形態では、入力光信号Ｅｉｎの入射角は、偏光依存性ビームセパレータ４０１の表面の法線に近い。したがって、偏光依存性ビームセパレータ４０１を製造することができ、光軸４９８は、偏光依存性ビームセパレータ４０１から出力する際に、ｏ線（Ｅ１）がｘ方向に沿って偏光され、ｅ線（Ｅ２）がｙ方向に沿って偏光される方法で配向されるとよい。
【0074】
いくつかの実施形態によれば、ｏ線およびｅ線（例えば、図４Ａの光信号Ｅ１およびＥ２）は、偏光依存性ビームセパレータ４０１からの出現時に横方向に変位されるとよい。横方向の変位は、１つまたは複数の要因に依存してもよく、これには、幾何学形状（例えば、形状および厚さ）、材料の誘電率、および偏光依存性ビームセパレータ４０１の光軸４９８の向き、並びに入力光信号Ｅｉｎの波長および入射角が含まれるが、これらに限定されない。入力光信号Ｅｉｎの垂直に近い入射の場合、ｏ線Ｅ１は、第１の横方向変位を伴って第１の光路に沿って伝播することができる（例えば、図４Ａに示すように、Ｅ１は、ゼロの横方向変位を伴って入力光信号Ｅｉｎの経路を継続する）。一方、ｅ線Ｅ２は、図４Ａに示すように、入力光信号Ｅｉｎの経路に対して第２の横方向変位４９９を伴って第２の光路に沿って伝播してもよい。ここで、ｅ線Ｅ２の第２の光路は、ｏ線Ｅ１の第１の光路とは異なり、ｅ線Ｅ２の第２の横方向変位は、ｏ線Ｅ１の第１の横方向変位とは異なる。
【0075】
いくつかの実施形態によれば、光信号Ｅ１およびＥ２は、図４Ａに示すように、垂直入射に近い角度でサブカプラー３０１および３０２に入射することができる。他の実施形態によれば、光信号Ｅ１およびＥ２は、垂直入射以外の角度でサブカプラー３０１および３０２に入射することができる。入力光信号Ｅｉｎの任意の入射角と、偏光依存性ビームセパレータ４０１の特性（幾何学的形状、誘電率、光軸の向きなど）により、ｏ線Ｅ１とｅ線Ｅ２の偏光と伝播方向は、マクスウェル方程式によって決定されるとよい。
【0076】
いくつかの実施形態によれば、サブカプラー３０１は、その偏光および伝播方向に基づいてｏ線Ｅ１と最適に結合するように構成されるとよい。ここで、ｏ線Ｅ１の偏光および伝播方向は、事前に決定されるとよい。同様に、いくつかの実施形態によれば、サブカプラー３０２は、ｅ線Ｅ２の偏光および伝播方向に基づいてｅ線Ｅ２と最適に結合するように構成されるとよい。ここで、ｅ線Ｅ２の偏光および伝播方向は、事前に決定されるとよい。例えば、図４Ａに示すように、入力光信号Ｅｉｎの入射角は、偏光依存性ビームセパレータ４０１の表面の法線に近くてもよく、光軸４９８は、ｙ-ｚ平面上である角度を向いていてもよい。したがって、サブカプラー３０１は、ｚ方向に沿って伝播し、ｘ方向に沿って偏光されたｏ線Ｅ１と最適に結合するように構成されるとよい。一方、サブカプラー３０２は、ｚ方向に沿って伝播し、ｙ方向に沿って偏光されたｅ線Ｅ２と最適に結合するように構成されるとよい。サブカプラー３０１と３０２の間の横方向の間隔３９９は、ｏ線Ｅ１とｅ線Ｅ２の間の横方向の間隔４９９の情報を組み込むことによって決定されるとよい。
【0077】
他の実施形態によれば、サブカプラー３０１は、その偏光に基づいてｏ線Ｅ１と最適に結合するように構成されていない可能性がある。つまり、サブカプラー３０１との結合に最適な偏光は、ｏ線Ｅ１の偏光と同じではない可能性がある。同様に、他の実施形態によれば、サブカプラー３０２は、その偏光に基づいてｅ線Ｅ２と最適に結合するように構成されていない可能性がある。すなわち、サブカプラー３０２との結合に最適な偏光は、ｅ線Ｅ２の偏光と同じではない可能性がある。さらなる実施形態によれば、サブカプラー３０１は、ｏ線Ｅ１の伝播方向に基づいて、ｏ線Ｅ１と最適に結合するように構成されていない場合がある。同様に、さらなる実施形態によれば、サブカプラー３０２は、ｅ線Ｅ２の伝播方向に基づいてｅ線Ｅ２と最適に結合するように構成されていない場合がある。
【0078】
いくつかの実施形態によれば、サブカプラー３０１は偏光独立カプラーであってもよく、ｏ線Ｅ１の伝播方向のみに基づいてｏ線Ｅ１と最適に結合するように構成されるとよい。同様に、いくつかの実施形態によれば、サブカプラー３０２は偏光独立カプラーであってもよく、ｅ線Ｅ２の伝播方向のみに基づいてｅ線Ｅ２と最適に結合するように構成されるとよい。
【0079】
光信号伝送の場合、図４Ｂに示すように、サブカプラー３０１から出力する光信号Ｅ１は、偏光依存性ビームセパレータ４０１によって規定されるｏ線の偏光に従って偏光されてもよい(例: 図４Ｂに示すように、ｘ方向に沿った直線偏光)。また、サブカプラー３０２から出る光信号Ｅ２は、偏光依存性ビームセパレータ４０１によって規定されるｅ線の偏光に従って偏光されてもよい（例えば、図４Ｂに示されるようなｙ方向に沿った直線偏光）。偏光依存ビームセパレータ４０１を通る光信号の伝播は可逆的である。したがって、偏光依存性ビームセパレータ４０１を通過した後、光信号Ｅ１およびＥ２は結合されて、偏光依存性ビームセパレータ４０１の上面から離れる光路に沿って伝播する出力光信号Ｅｏｕｔを生じさせることができる（例えば、図４Ｂに示すように、ゼロの横方向変位を伴う光信号Ｅ１の経路を継続する経路）。ここで、光信号Ｅ１およびＥ２は互いにコヒーレントであり、出力光信号Ｅｏｕｔは、光信号Ｅ１およびＥ２の偏光、振幅、および相対位相に従って偏光される。
【0080】
いくつかの実施形態によれば、偏光依存性ビームセパレータ４０１から出力する光信号Ｅ１およびＥ２は、空間的に完全に重なり合わないことがある。 これにより、出力光信号Ｅｏｕｔの偏光が空間的に変化する可能性がある。いくつかの実施形態によれば、偏光依存ビームセパレータ４０１およびサブカプラー３０１および３０２は、光信号Ｅ１およびＥ２との間の空間的重なりが、支配的な偏光状態(つまり、50% を超える)を有する出力光信号Ｅｏｕｔを生じさせることができるように構成されるとよい。
【0081】
偏光依存性ビームセパレータ４０１は、光信号を送信および受信するために結合器３００とともに使用することができ、サブカプラー３０１および３０２のうちの１つは、出力光信号Ｅｏｕｔを送信するために使用することができる。一方、サブカプラー３０１および３０２の他方は、入力光信号Ｅｉｎを受信するために使用することができる。光信号ＥｏｕｔおよびＥｉｎは、光コンポーネント４０１とターゲットとの間にある共通の光路に沿って伝播することができる。図４Ｃに示されるように、一方では、サブカプラー３０１から出力される光信号Ｅ１は、偏光依存性ビームセパレータ４０１によって規定されるｏ線の偏光に従って偏光されるとよい。偏光依存ビームセパレータ４０１を通過した後、光信号Ｅ１は出力光信号Ｅｏｕｔを生じさせることができ、光信号Ｅ１とＥｏｕｔの偏光は同じである。例えば、サブカプラー３０１から出力された光信号Ｅ１が、偏光依存性ビームセパレータ４０１のｏ線の偏光に沿って偏光される場合(つまり、ｘ方向に沿って直線偏光)、出力光信号Ｅｏｕｔは、光信号Ｅ１の偏光と同じ偏光（すなわち、ｘ方向に沿った）で偏光依存ビームセパレータ４０１から出力し、偏光依存ビームセパレータ４０１から離れる光路に沿って伝播することができる（例えば、図４Ｃに示すように、横方向の変位なしに光信号Ｅ１の経路を継続する経路）。
【0082】
一方、いくつかの実施形態によれば、入力光信号Ｅｉｎは、偏光依存性ビーム分離器４０１によって規定されるｅ線の偏光に従って偏光され、出力光信号Ｅｏｕｔと同じ光路に沿って逆方向に伝播するとよい。偏光依存ビームセパレータ４０１を通過した後、入力光信号Ｅｉｎは、サブカプラー３０２に結合される光信号Ｅ２を生じさせることができ、光信号ＥｉｎとＥ２の偏光は同じである。例えば、図４Ｃに示すように、偏光依存性ビームセパレータ４０１の上面に垂直な方向に入射するｙ方向に沿って直線偏光された入力光信号Ｅｉｎは、ｙ方向に沿って直線偏光され、サブカプラー３０２と結合する光信号Ｅ２を生じさせることができる。ここで、光信号Ｅ２は、偏光依存ビームセパレータ４０１によって横方向に変位される。図４Ｃに示すように、出力光信号Ｅｏｕｔと入力光信号Ｅｉｎの偏光は互いに直交し、光信号Ｅ１とＥ２の偏光は互いに直交する。一実施形態では、入力光信号Ｅｉｎの偏光が出力光信号Ｅｏｕｔの偏光と直交していない場合、入力光信号Ｅｉｎはｏ線とｅ線に分割されるとよい。ここで、図４Ａの実施形態に示すように、ｏ線はサブカプラー３０１と結合し、ｅ線はサブカプラー３０２と結合することができる。
【0083】
いくつかの実施形態によれば、サブカプラー３０１および３０２の役割は交換されてもよく、その結果、出力光信号は、図４Ｃに示されるようなｏ線Ｅ１の代わりにｅ線Ｅ２となってもよい。
【0084】
図４Ｃに示すように、結合偏光基準は、サブカプラー３０１および３０２と最適に結合する光信号の一対の偏光によって形成さてもよい。 いくつかの実施形態によれば、結合偏光基準は、偏光依存ビームセパレータ４０１に対応するｏ線およびｅ線の偏光と同じであってもよい。他の実施形態によれば、結合偏光基準は、偏光依存ビームセパレータ４０１に対応するｏ線およびｅ線の偏光とは異なっていてもよい。
【0085】
いくつかの実施形態によれば、結合偏光基準と、偏光依存ビームセパレータ４０１に対応するｏ線およびｅ線の偏光との間の差は、光コヒーレントイメージャの適切な設計によって最小化されるとよい。このような適切な設計は、入力光信号および出力光信号が、偏光依存性ビームセパレータ４０１の表面上で垂直に近い入射を維持する方向に沿って伝播することを保証する光学コンポーネント（１つまたは複数のレンズなど）を備え得るとよい。このような適切な設計は、入力光信号および出力光信号がサブカプラー３０１および３０２の最適な結合方向に近い入射角でサブカプラー３０１および３０２に結合することを保証するための光学部品（１つまたは複数のレンズなど）も備えることができる。
【0086】
図４Ｃを参照すると、結合偏光基準が、偏光依存性ビームセパレータ４０１に対応するｏ線およびｅ線の偏光と異なってもよい場合、結合器３００によって出力結合された光信号は、偏光依存ビームセパレータ４０１から現れる２つの出力光信号を生じさせることができる。ここで、２つの出力光信号は、ｏ線およびｅ線に対応する光信号である。このような状況下では、サブカプラー３０１によって放射される光信号Ｅ１は、出力光信号Ｅｏｕｔと同じ出力ｏ線と、出力光信号Ｅｏｕｔ（図示せず）の光路とは異なる光路に沿って伝播する出力ｅ線とを生じさせてもよい。偏光ダイバーシティを使用して光信号の送受信の共有パスを可能にする光コヒーレントイメージャの場合、出力ｅ線と同じ光路を共有する入力光信号は、図４Ｃに例示されるように内部結合サブカプラー３０２と結合できない可能性があるため、この状況における出力ｅ線は無視することができる。
【0087】
いくつかの実施形態によれば、４図Ｃのサブカプラー３０１および３０２のいずれか一方または両方は、偏光に依存しない自由空間対導波路結合器であってもよい。偏光独立自由空間対導波路結合器を使用すると、偏光依存ビームセパレータ４０１に対応するｏ線およびｅ線の偏光に関係なく、入力光信号Ｅｉｎを最適に結合することができる可能性がある。
【0088】
光コヒーレントセンシングの状況によっては、ターゲットによって反射された光信号は、ターゲットを照明する光信号と同じ主偏光成分を持つ。このような状況には、鏡面反射や光沢のあるターゲット表面からの光の反射が含まれるが、これらに限定されない。したがって、受信信号を最適化するには、入出力光信号に偏光ダイバーシティを利用するコヒーレント感知ユニットとともに偏光変換機構を使用することが望ましい場合がある。
【0089】
図５Ａは、本開示の一実施形態によるファラデー効果によって実現される偏光変換構成５１０を示す斜視図である。偏光変換構成５１０は、結合器１０１と光信号を入力結合および出力結合するように構成され、ファラデー回転子５０１およびオプションの偏光回転子５０２を備える。図５Ｂは、図５Ａにおける光信号の偏光状態を示す上面図である。
【0090】
図５Ａにおいて、ファラデー回転子５０１は、ターゲットと偏光多様化自由空間対導波路結合器１０１との間に配置された光学部品である。ファラデー回転子５０１は、直線偏光された光信号をある角度（例えば、４５度）回転させるように構成されるとよい。例えば、図５Ａに示すように、結合器１０１は、ｘ方向に沿って直線偏光された光信号Ｅ１を放射することができる。 次に、ファラデー回転子５０１は、光信号Ｅ１の偏光を４５度回転して、ｘ方向に対して４５度の角度をなす方向に沿って直線偏光された光信号Ｅ２を生じさせることができる。
【0091】
図５Ａでは、任意の偏光回転子５０２（本明細書では簡単にするために「偏光回転子」と呼ぶ）がターゲットとファラデー回転子５０１との間に配置される。偏光回転子５０２の例には、水晶回転子が含まれるが、これに限定されない。図５Ａでは、偏光回転子５０２は、光信号Ｅ２の偏光をある角度だけさらに回転させるように構成されるとよい。例えば、図５Ａに示すように、偏光回転子５０２は、ｘ方向に対して４５度の角度をなす方向に沿って直線偏光されている光信号Ｅ２の偏光を４５度回転させて、ｙ方向に沿って直線偏光された光信号Ｅ３を生じさせる。
【0092】
偏光回転子５０２は相反光学部品である、すなわち、偏光回転子５０２による偏光回転は光信号の伝播方向に依存しない。図５Ａによれば、偏光回転子５０２は、Ｅ３と同じ直線偏光を有する入力光信号Ｅ４の偏光を角度（例えば、４５度）だけ回転させて、Ｅ２と同じ偏光を有する光信号Ｅ５を生じさせることができる。対照的に、ファラデー回転子５０１は非相反光学部品である。Ｅ５の伝播方向がＥ２に対して逆であるため、ファラデー回転子５０１は、光信号Ｅ５の偏光をある角度（例えば、４５度）だけ回転させて、光信号Ｅ１の偏光に直交する方向（すなわち、図５Ａによればｙ方向）に沿って直線偏光された光信号Ｅ６を生じさせることができる。いくつかの実施形態によれば、ファラデー回転子５０１によってもたらされる角回転は、ファラデー回転子５０１内の光信号の伝播経路の長さの影響として、ファラデー回転子５０１への光信号の入射角に影響されない可能性がある。また偏光回転時の伝播経路に沿った磁界強度は相互に補償する可能性がある。ファラデー回転子の動作原理は当業者にはよく知られている。
【0093】
いくつかの実施形態によれば、オプションの偏光回転子５０２を使用して、Ｅ３の偏光を結合器１０１によって定義される偏光基準成分のうちの１つに変換することができる。一例として、図５Ａの結合器１０１によって定義される偏光基準は、ｘ方向およびｙ方向に沿った直線偏光である。他の実施形態によれば、石英回転子であってもよい任意の偏光回転子５０２を使用して、ファラデー回転子５０１と一緒に使用するときに広帯域偏光回転を可能にすることができる。石英回転子などの従来の偏光回転子は、入力光信号の入射角に敏感である。いくつかの実施形態によれば、偏光回転子５０２は、意図された位相シフトを維持しながら、広い角度範囲で入力光信号を受け入れることができる偏光回転子であるとよい。
このような広角偏光回転子の例には、「フィールド変換アプローチに基づく広角マルチオクターブ広帯域波長板」Scientific Reports、5、17532 (2015) に記載されているとおり、フィールド変換アプローチで設計された人工フォトニック構造が含まれるが、これに限定されない。
このような広角偏光回転子の例には、「フィールド変換アプローチに基づく広角マルチオクターブ広帯域波長板」Scientific Reports、5、17532 (2015) に記載されているとおり、フィールド変換アプローチで設計された人工フォトニック構造が含まれるが、これに限定されない。
【0094】
いくつかの実施形態によれば、偏光変換構成５１０の構成要素は、図５Ａに示されるように別個の構成要素として示されてもよい。他の実施形態によれば、偏光変換構成５１０の一部またはすべての構成要素は、単一の結合構成要素として現れるとよい。さらに、いくつかの実施形態によれば、偏光変換構成５１０は、図５Ａに示すように、偏光多様化自由空間対導波路結合器１０１を備えるＰＩＣチップとは別個の光学アセンブリであってもよい。他の実施形態によれば、偏光変換構成５１０の一部またはすべての構成要素は、結合器１０１を備えるＰＩＣチップの表面に取り付けられてもよい。さらなる実施形態によれば、偏光変換構成５１０の一部またはすべての構成要素は、結合器１０１を構成するＰＩＣチップ内にあってもよいし、その一部であってもよい。
【0095】
図５Ａでは、説明の目的で、入力結合光信号Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３の伝搬経路と出力結合光信号Ｅ４、Ｅ５、Ｅ６の伝搬経路とを区別して描いている。 一般に、入力結合信号と出力結合信号の伝播経路は、空間的に異なる場合もあれば、異ならない場合もある。さらに、図５Ａでは、例示の目的で、光信号Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５、およびＥ６が、ｚ方向に沿って伝播するように示されており、結合器１０１、ファラデー回転子５０１、および偏光回転子５０２に対して垂直に入射する。一般に、光信号の伝播方向は、これらの構成要素に対して垂直入射であってもよく、垂直入射以外の入射角であってもよい。
【0096】
図５Ｃは、本開示の一実施形態による結合器３００とともに使用するための偏光変換分離構成を示す側面図である。ここで、図５Ａの偏光変換構成５１０は、図４Ｃの偏光分離構成に組み込まれている。図５Ｃに示すように、偏光依存ビームセパレータ４０１は、結合器３００（サブカプラー３０１および３０２を含む）と偏光変換構成５１０（ファラデー回転子５０１および偏光回転子５０２を含む）との間に配置される。図５Ｃの偏光依存ビームセパレータ４０１は、サブカプラー３０１および３０２に結合された光信号が共通の光路に沿って伝播できるようにするために使用されてもよい。ここで、共通の光路は、偏光依存性ビームセパレータ４０１とターゲットとの間にある。例えば、図５Ｃに示されるように、サブカプラー３０１は、光信号Ｅ１を自由空間に出力することができ、Ｅ１は、サブカプラー３０１によって規定される方向（例えば、図５Ｃのｘ方向）に沿って直線偏光される。図５Ｃによれば、また図４Ｃおよび図５Ａを参照すると、一方で、光信号Ｅ１は、Ｅ１の方向と直交する方向（例えば、ｙ方向）に沿って直線偏光された光信号Ｅ３を生じさせることができる。一方、入力光信号Ｅ４はＥ３と同じ偏光を持ち、出力光信号 Ｅ３と共通の光路に沿って伝播する。しかし、逆方向では、偏光回転子５０２、ファラデー回転子５０１、および偏光依存ビームセパレータ４０１を介して、Ｅ１の偏光に直交する方向（すなわち、ｙ方向）に沿って直線偏光された光信号Ｅ６を生じさせることができる。また、光信号Ｅ６がサブカプラー３０２と結合できるように、Ｅ１の経路から空間的に分離されている。
【0097】
いくつかの実施形態によれば、偏光変換構成５１０および偏光依存ビームセパレータ４０１の構成要素は、図５Ｃに示すように別個の構成要素として示されてもよい。他の実施形態によれば、偏光変換構成５１０および偏光依存ビームセパレータ４０１の一部またはすべての構成要素は、単一の結合構成要素として現れてもよい。さらに、いくつかの実施形態によれば、偏光変換構成５１０および偏光依存ビームセパレータ４０１は、図５Ｃに示すように、偏光多様化自由空間対導波路結合器３００を備えるＰＩＣチップとは別個の光学アセンブリであってもよい。他の実施形態によれば、偏光変換構成５１０および偏光依存性ビームセパレータ４０１の一部またはすべての構成要素は、結合器３００を含むＰＩＣチップの表面に取り付けられてもよい。さらなる実施形態によれば、偏光変換構成５１０の一部またはすべての構成要素は、ＰＩＣチップの表面に取り付けられてもよい。そして、偏光依存ビームセパレータ４０１は、結合器３００を構成するＰＩＣチップ内にあってもよいし、その一部であってもよい。
【0098】
図５Ｃでは、例示の目的で、光信号Ｅ１、Ｅ３、Ｅ４、およびＥ６が、ｚ方向に沿って伝播するように示されており、結合器３００、偏光依存性ビーム分離器４０１、ファラデー回転子５０１、および偏光回転子５０２に垂直に入射する。 一般に、光信号の伝播方向は、これらの構成要素に対して垂直入射であってもよく、垂直入射以外の入射角であってもよい。
【0099】
図６Ａは、本開示の別の実施形態による、１／４波長板６０１によって実現される偏光変換構成を示す斜視図である。この実施形態では、偏光変換は、１／４波長板による位相遅延によって実現される。図６Ａにおいて、１／４波長板６０１は、ターゲットと偏光多様化自由空間対導波路結合器１０１との間に配置された光学部品である。４分の１波長板６０１は、その光軸の適切な配向を通じて、直線偏光の光信号を円偏光の光信号に変換するように構成されてもよい。
例えば、図６Ａに示すように、４分の１波長板６０１は、 ｘ方向に沿って直線偏光している光信号Ｅ１を、Ｅ２の伝播方向（ｚの正の方向) に対して右円偏光である光信号Ｅ２に変換することができる。図６Ｂは、図６Ａにおける光信号の偏光状態を示す上面図である。
例えば、図６Ａに示すように、４分の１波長板６０１は、 ｘ方向に沿って直線偏光している光信号Ｅ１を、Ｅ２の伝播方向（ｚの正の方向) に対して右円偏光である光信号Ｅ２に変換することができる。図６Ｂは、図６Ａにおける光信号の偏光状態を示す上面図である。
【0100】
図６Ａに示すように、光信号Ｅ３は、Ｅ２の偏光回転方向と同じ円回転方向を有する偏光を有するが、Ｅ２の伝播方向とは反対の方向に伝播する（すなわち、Ｅ２およびＥ３は事実上、逆の利き手を有する）。４分の１波長板６０１は、光信号Ｅ３を変換して、Ｅ１の偏光と直交する方向に沿って直線偏光された光信号Ｅ４を生じさせるために使用されてもよい。例えば、図６Ａに示すように、４分の１波長板６０１は、伝播方向（負のｚ方向）に関して左円偏光の光信号Ｅ３を、ｙ方向に沿って直線偏光の光信号Ｅ４に変換する。
【0101】
いくつかの実施形態によれば、４分の１波長板６０１は、図６Ａに示すように、偏光多様化自由空間対導波路結合器１０１を備えるＰＩＣチップとは別のコンポーネントであってもよい。他の実施形態によれば、四分の一波長板６０１は、結合器１０１を構成するＰＩＣチップの表面に取り付けられてもよい。さらなる実施形態によれば、四分の一波長板６０１は、結合器１０１を構成するＰＩＣチップ内にあってもよいし、その一部であってもよい。
【0102】
図６Ａでは、説明の目的で、入力結合光信号Ｅ１およびＥ２の伝播経路と、出力結合光信号Ｅ３およびＥ４の伝搬経路とが区別して描かれている。一般に、入力結合信号と出力結合信号の伝播経路は、空間的に異なる場合もあれば、異ならない場合もある。さらに、図６Ａでは、例示の目的で、光信号Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、およびＥ４が、ｚ方向に沿って伝播し、結合器１０１および４分の１波長板６０１に垂直に入射するように示されている。一般に、光信号の伝播方向は、これらの構成要素に対して垂直入射であってもよく、垂直入射以外の入射角であってもよい。
【0103】
図６Ｃは、本開示の別の実施形態による、結合器３００とともに使用するための偏光変換分離構成を示す側面図である。ここで、図６Ａの偏光変換構成は、図４Ｃの偏光分離構成に組み込まれている。図６Ｃに示されるように、偏光依存性ビームセパレータ４０１は、結合器３００（サブカプラー３０１および３０２を含む）と１／４波長板６０１との間に配置される。図６Ｃの偏光依存ビームセパレータ４０１は、サブカプラー３０１および３０２に結合された光信号が共通の光路に沿って伝播できるようにするために使用されてもよい。ここで、共通の光路は、偏光依存性ビームセパレータ４０１とターゲットとの間にある。例えば、図６Ｃに示されるように、サブカプラー３０１は、光信号Ｅ１を自由空間に出力することができ、Ｅ１は、サブカプラー３０１の設計によって規定される方向（例えば、図６Ｃのｘ方向）に沿って直線偏光される。図６Ｃによれば、また図４Ｃおよび図６Ａを参照すると、一方では、光信号Ｅ１は、Ｅ２の伝播方向に関して（例えば、正のｚ方向に沿って）右円偏光された光信号Ｅ２を生じさせることができる。一方、入力光信号Ｅ３は、Ｅ２の偏光回転方向と同じ円回転方向の偏光を有し、出力光信号Ｅ２と共通の光路に沿って伝播する。ただし、方向は逆である（つまり、Ｅ３は伝播方向に対して左円偏光である）。入力光信号Ｅ３は４分の１波長板６０１および偏光依存性ビームセパレータ４０１を通って、光信号Ｅ４を生じるとよい。光信号Ｅ４は、Ｅ１の偏光に直交する方向（例えば、図６Ｃのｙ方向）に沿って直線偏光され、Ｅ１の経路から空間的に分離されており、その結果、光信号Ｅ４はサブカプラー３０２と結合することができる。
【0104】
いくつかの実施形態によれば、４分の１波長板６０１および偏光依存ビームセパレータ４０１は、図６Ｃに示すように別個の構成要素として現れてもよい。他の実施形態によれば、四分の一波長板６０１および偏光依存性ビームセパレータ４０１は、単一の組み合わされた構成要素として現れてもよい。さらに、いくつかの実施形態によれば、４分の１波長板６０１および偏光依存ビームセパレータ４０１は、図６Ｃに示すように、偏光多様化自由空間対導波路結合器３００を備えるＰＩＣチップとは別個の光学アセンブリであってもよい。他の実施形態によれば、四分の一波長板６０１および偏光依存性ビームセパレータ４０１のいずれか一方または両方が、結合器３００を備えるＰＩＣチップの表面に取り付けられてもよい。さらなる実施形態によれば、四分の一波長板６０１および偏光依存ビームセパレータ４０１のいずれか一方または両方は、結合器３００を構成するＰＩＣチップ内にあってもよいし、その一部であってもよい。
【0105】
図６Ｃでは、例示の目的で、光信号Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、およびＥ４は、ｚ方向に沿って伝播するように示され、結合器３００、偏光依存ビームセパレータ４０１、および１／４波長板６０１に垂直に入射する。一般に、光信号の伝播方向は、これらの構成要素に対して垂直入射であってもよく、垂直入射以外の入射角であってもよい。
【0106】
光コヒーレントセンシングの一部の用途では、ターゲットは、戻ってくる光信号が照射光信号の偏光とは実質的に異なる偏光になるように、ターゲットを照射する光信号を反射または散乱する可能性がある。受信信号を最適化するには、コヒーレント感知ユニットがあらゆる偏光状態の入力光信号を検出できることが望ましい場合がある。
【0107】
図７Ａは、本開示の別の実施形態による、偏光ダイバーシティに基づいて光信号を送受信するためのコヒーレント感知ユニット７００を示す平面図である。図７Ａのコヒーレント感知ユニット７００は、図１Ａのコヒーレント感知ユニット１００と同様である。コヒーレント感知ユニット７００とコヒーレント感知ユニット１００との間の主な違いは、図１Ａに示すコヒーレント感知ユニット１００の実施形態に従って、コヒーレント感知ユニット７００が、結合器１０１によって結合され導波路１２１に導かれる入力光信号Ｅｉｎの成分も処理できることである。
【0108】
より具体的には、図７Ａを参照すると、光源信号ＥＳは導波路７３１を通じてコヒーレント感知ユニット７００に供給され、局部発振器（ＬＯ）ＥＬＯは導波路７３４を通じてコヒーレント感知ユニット７００に供給される。図７Ａでは、構成要素７０５は２×２光カプラーである。導波路７３３からの信号入力がないため、２×２光カプラー７０５は、導波路７３１からの光源信号ＥＳを分割し、ＥＳの一部を光信号Ｅ１として導波路７２１を介して偏光多様化自由空間対導波路結合器７０１に導く分割カプラーとして機能することができる。導波管７３２に通されたＥＳの一部は、他の目的に使用されてもよいし（例えば、図７Ｂのコヒーレント感知ユニット７１０のように）、あるいは単に損失としてみなされてもよい。後者の状況では、後方反射を避けるために、導波管７３２に通過するＥＳの一部を適切に減衰させる必要があるかもしれない。導波路７２１および７３２に通過するＥＳの割合は、それぞれ、２×２光カプラー７０５の分割比および損失に依存する。いくつかの実施形態によれば、２×２光カプラー７０５は、５０／５０の２×２光カプラーであってもよい。 他の実施形態によれば、２×２光カプラー７０５は、５０／５０以外の分割比を有してもよい。
【0109】
図７Ａでは、偏光多様化自由空間対導波路結合器７０１（ここでは簡単にするために「結合器７０１」と呼ぶ）は、送信機および受信機の両方として機能する図１Ａのコヒーレント感知ユニット１００の結合器１０１と同様である。導波管７２１ と７２２に接続された２つの導波管カプラーである。
【0110】
送信機として、図７Ａを参照すると、結合器７０１は、導波路７２１からの光信号Ｅ１を、光コヒーレントイメージャによるターゲット照明に使用できる出力光信号Ｅｏｕｔとして自由空間に結合することができる。 結合器７０１によって出力される出力光信号Ｅｏｕｔは、ｘ-ｙ平面外の方向に伝播し（すなわち、Ｅｏｕｔの伝播方向はゼロ以外のｚ成分を有する）、結合器７０１の設計によって定義された偏光で偏光される。
【0111】
受信機として、図７Ａを参照すると、結合器７０１は、入力光信号Ｅｉｎをコヒーレント感知ユニット７００に結合することができる。結合器７０１によって結合された入力光信号Ｅｉｎは、入力光信号Ｅｉｎの偏光状態に応じて、導波路７２１および７２２のいずれかまたは両方に向けることができる。導波路７２１および７２２に結合される入力光信号Ｅｉｎの偏光成分は、結合器７０１の設計に依存する。いくつかの実施形態によれば、出力光信号Ｅｏｕｔの偏光と直交する入力光信号Ｅｉｎの偏光成分は、内部結合光信号Ｅ２として導波路７２２に導かれるとよい。導波路７２２に導かれる入力光信号Ｅｉｎの偏光成分と直交する入力光信号Ｅｉｎの偏光成分は、内部結合光信号Ｅ３として導波路７２１に導かれることができる。内部結合された光信号Ｅ３は、光信号Ｅ１の伝播方向とは反対の方向に伝播する。導波路７３２からの信号入力がないため、２×２光カプラー７０５は、導波路７２１から内部結合された光信号Ｅ３を分割し、Ｅ３の一部を光信号Ｅ４として導波路７３３を通して２×２光カプラー７１２に導く分割カプラーとして機能することができる。Ｅ３の一部は、導波路７３１を通過し、光源信号ＥＳの伝播方向と反対の方向に伝播することもできる。いくつかの実施形態によれば、導波管７３１内のＥ３の構成要素は、感知ユニット７００を備えるＰＩＣチップの他の部分に影響を与えることなく放置されてもよい。導波路７３１および７３３にそれぞれ通過するＥ３の部分は、２×２光カプラー７０５の分割比および損失に依存する。
【0112】
図７Ａでは、結合器７０１は単一の実体として描かれているが、結合器７０１は一般に、単一の光コンポーネントまたは複数の光コンポーネントを備えることができる。いくつかの実施形態によれば、図１Ａおよび図１Ｂに示される結合器１０１と同様に、結合器７０１は、偏光分割自由空間対導波路結合器によって実現され得る。他の実施形態によれば、結合器７０１は、２の結合器２００によって実現されてもよい。ここで、導波管２２１および２２２は、導波管７２１および７２２と同じであってもよい（すなわち、導波管７２１が導波管２２１であり、導波管７２２が導波管２２２である、または導波管７２１が導波管２２２であり、導波管７２２が導波管２２１である）。さらなる実施形態によれば、結合器７０１は、図３の結合器３００によって実現されてもよい。ここで、導波管３２１および３２２は、導波管７２１および７２２と同じであってもよい（すなわち、導波管７２１が導波管３２１であり、導波管７２２が導波管３２２である、または導波管７２１が導波管３２２であり、導波管７２２が導波管３２１である）。さらに別の実施形態によれば、結合器７０１は結合器３００によって実現され、図４Ｃの偏光依存ビームセパレータ４０１はコヒーレント感知ユニット７００とともに使用され、出力光信号Ｅｏｕｔおよび入力光信号Ｅｉｎが共通の光路に沿って伝播できるようにすることができ、また、共通の光路は、偏光依存性ビームセパレータ４０１とターゲットとの間にある。いくつかの実施形態によれば、図１Ａおよび図１Ｂの結合器１０１と同様に、結合器７０１は、ＴＥ－ＴＭモードコンバータ、スプリッタ、およびコンバイナのいずれかを備えることもできる。
【0113】
さらに、いくつかの実施形態によれば、図５Ａおよび図５Ｃに示すファラデー回転子５０１およびオプションの偏光回転子５０２を結合器７０１とともに使用して、出力光信号および入力光信号の偏光を回転させることができる。
いくつかの実施形態によれば、図６Ａおよび６Ｃに示される１／４波長板６０１は、出力光信号を、出力光信号の偏光に応じて、直線偏光、円偏光、または楕円偏光光信号に変換するために結合器７０１とともに使用されるとよい。
いくつかの実施形態によれば、図６Ａおよび６Ｃに示される１／４波長板６０１は、出力光信号を、出力光信号の偏光に応じて、直線偏光、円偏光、または楕円偏光光信号に変換するために結合器７０１とともに使用されるとよい。
【0114】
図７Ａでは、構成要素７０６は、ＬＯを導波路７３４から分割し、ＬＯの一部をＬＯ ＥＬＯ，１ として導波路７２３に導き、ＬＯの一部をＬＯ ＥＬＯ，２として導波路７３５に導く分割カプラーである。導波路７２３および７３５にそれぞれ通過するＬＯの部分は、分割比および分割カプラー７０６の損失に依存する。いくつかの実施形態によれば、分割カプラー７０６は５０／５０分割カプラーであってもよい。他の実施形態によれば、分割カプラー７０６は５０／５０以外の分割比を有してもよい。
【0115】
図７Ａでは、構成要素７０２は、導波路７２２からの内部結合光信号Ｅ２と導波路７２３からのＬＯ ＥＬＯ，１を混合し、混合された信号を分割して導波路７２４および７２５に向ける２×２光カプラーである。いくつかの実施形態によれば、２×２光カプラー７０２は、図１のコヒーレント感知ユニット１００の２×２光カプラー１０２と同様であるとよい。
【0116】
図７Ａでは、構成要素７０３は、導波路７２４からの光信号を受信して検出する二乗法則光検出器である。同様に、図７Ａでは、構成要素７０４は、導波路７２５からの光信号を受信して検出する二乗法則光検出器である。いくつかの実施形態によれば、光検出器７０３および７０４は、図１のコヒーレント感知ユニット１００の光検出器１０３および１０４と同様であるとよい。
【0117】
いくつかの実施形態によれば、光検出器７０３および７０４は、これらに限定されないが、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）、トランジスタ、ダイオード、抵抗器、コンデンサ、および電気スイッチのうちの任意の１つ以上などの電子部品を含む出力電子回路に接続されるとよい。これらは、光検出器７０３および７０４の電気出力を処理するために使用されるものである。この出力電子回路は図７Ａには示されていない。
【0118】
図７Ａでは、構成要素７１２は、導波路７３３からの内部結合信号Ｅ４と導波路７３５からのＬＯ ＥＬＯ，２を混合し、混合された信号を分割して導波路７３６および７３７に向ける２×２光カプラーである。
【0119】
図７Ａでは、構成要素７１３は、導波路７３６からの光信号を受信して検出する二乗則光検出器である。同様に、図７Ａでは、構成要素７１４は、導波路７３７からの光信号を受信して検出する二乗法則光検出器である。いくつかの実施形態によれば、光検出器７１３および７１４は、光検出器７０３および７０４と同様であってもよい。
【0120】
いくつかの実施形態によれば、光検出器７１３および７１４は、これらに限定されないが、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）、トランジスタ、ダイオード、抵抗器、コンデンサ、および電気スイッチのうちの任意の１つ以上の電子部品を備える出力電子回路に接続されるとよい。これらは、光検出器７１３および７１４の電気出力を処理するために使用されるものである。この出力電子回路は図７Ａには示されていない。いくつかの実施形態によれば、光検出器７１３および７１４に接続された出力電子回路は、光検出器７０３および７０４に接続された出力電子回路とともに単一の電子回路を形成することができる。他の実施形態によれば、光検出器７１３および７１４に接続された出力電子回路は、光検出器７０３および７０４に接続された出力電子回路とは別個であってもよい。
【0121】
いくつかの実施形態によれば、コヒーレント感知ユニット７００は、明示的に示されていないコンポーネントを備えることができる。これには、位相、振幅、周波数、波長、および時間的制御のいずれか１つまたは複数について、電気光学コンポーネントおよび熱光学コンポーネントのいずれか１つまたは複数が含まれるが、これらに限定されない。
【0122】
図７Ｂは、本開示のさらに別の実施形態による、偏光ダイバーシティに基づいて光信号を送受信するためのコヒーレント感知ユニット７１０を示す平面図である。図７Ｂのコヒーレント感知ユニット７１０は、図７Ａのコヒーレント感知ユニット７００と同様である。コヒーレント感知ユニット７００とコヒーレント感知ユニット７１０との間の主な違いは、コヒーレント感知ユニット７１０では、ＬＯ ＥＬＯが導波路７３２に渡される光源信号ＥＳの一部から生じるように、導波路７３４が導波路７３２に接続されることである。
【0123】
図８は、本開示のさらなる実施形態による、偏光ダイバーシティに基づいて光信号を送受信するためのコヒーレント感知ユニット８００を示す平面図である。図８のコヒーレント感知ユニット８００は、図７Ａのコヒーレント感知ユニット７００と同様である。コヒーレント感知ユニット８００とコヒーレント感知ユニット７００との主な違いは、コヒーレント感知ユニット８００では光サーキュレータ８０５が、光信号の流れを導くためにコヒーレント感知ユニット７００の２×２光カプラー７０５を置き換えるために使用されることである。光サーキュレータ８０５の例としては、「Broadband TE Optical Isolators and Circulators in Silicon Photonics Through Ce:YIG Bonding」、Journal of Lightwave Technology、Vol. 37、No.5、p. 1463（2019）に記載されているように、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）構成の異種Ｃｅ：ＹＩＧ／シリコン導波路に基づく光サーキュレータが挙げられるが、これに限定されない。
【0124】
図８の実施形態によれば、光サーキュレータ８０５は、光信号を円形方向にルーティングする３ポート光サーキュレータである。より具体的には、光サーキュレータ８０５は、光信号を時計回りの方向にルーティングすることができる。導波路７３１から入力された光信号は導波路７２１に導かれ、導波路７２１から入力された光信号は導波路７３３に導かれ、導波路７３３から入力された光信号は導波路７３１に導かれる。
【0125】
図８では、光サーキュレータ８０５は、導波路７２１、７３１、および７３３と結合する。その後、図７のコヒーレント感知ユニット７００の導波路７３２は、図８のコヒーレント感知ユニット８００から省略されてもよい。光サーキュレータ８０５は、導波路７３１内で光源信号ＥＳをルーティングして、導波路７２１内に光信号Ｅ１を生じさせることができる。結合器７０１によって受信された内部結合光信号Ｅ３は、導波路７２１を通って光サーキュレータ８０５に導かれることができる。ここで、光サーキュレータ８０５は、内部結合された光信号Ｅ３を導波路７３３にルーティングして、光信号Ｅ４を生じさせることができる。
【0126】
いくつかの実施形態によれば、光サーキュレータ８０５には、３ポート光サーキュレータの代わりに、４ポートＭＺＩベースの光サーキュレータによって実現されるような４ポート光サーキュレータが使用されてもよい。図７のコヒーレント感知ユニット７００の導波路７３２は、図８のコヒーレント感知ユニット８００内に保持されるとよい。このような状況では、４ポート光サーキュレータは導波路７２１、７３１、７３２、および７３３に結合されるとよい。ここで、４ポート光サーキュレータは、導波路７３１から導波路７２１へ、導波路７２１から導波路７３３へ、導波路７３３から導波路７３２へ、そして導波路７３２から導波路７３１へ光信号をルーティングする。
【0127】
図８では、コヒーレント感知ユニット７００内の２×２光カプラー７０５を置き換えるためにコヒーレント感知ユニット８００内で光サーキュレータ８０５を使用することは、理想的には、導波路７３２内を通過する光源信号ＥＳの一部の損失を回避するという利点を有するとよい。それにもかかわらず、現在の最先端のオンチップ光サーキュレータには挿入損失（＞１０ｄＢ）がある。これは、コヒーレント感知ユニット７００の構成において２×２光カプラー７０５を使用することよりも利点をもたらすには依然として高すぎる可能性がある。
【0128】
図９は、本開示のさらに別の実施形態による、偏光ダイバーシティに基づいて光信号を送受信するためのコヒーレント感知ユニット９００を示す平面図である。コヒーレント感知ユニット９００は、任意の偏光状態の入力光信号を検出するコヒーレント感知ユニット７００、７１０、および８００と同様である。コヒーレント感知ユニット９００とコヒーレント感知ユニット１００、７００、７１０、および８００との主な違いは、コヒーレント感知ユニット９００は、任意の偏光状態を有する内部結合光信号を、出力光信号を搬送する導波路とは異なる導波路に導く偏光多様化自由空間対導波路結合器を備えることである。
【0129】
より具体的には、図９を参照すると、光源信号ＥＳは導波路９２１を通じてコヒーレント感知ユニット９００に供給され、局部発振器（ＬＯ）ＥＬＯは導波路９３４を通じてコヒーレント感知ユニット９００に供給される。
【0130】
図９では、偏光多様化自由空間対導波路結合器９０１（本明細書では簡単にするために「結合器９０１」と呼ぶ）は、導波路９２１、９２２、および９３３に接続された３つの導波路結合器である。結合器９０１は、送信機および受信機の両方として機能することができる。
【0131】
送信機として、図９を参照すると、結合器９０１は、導波路９２１からの出力光信号Ｅ１（光源信号ＥＳと本質的に同じ）を出力光信号Ｅｏｕｔとして自由空間に結合することができる。これは、光コヒーレントイメージャによるターゲット照明に使用できる。結合器９０１によって出力される出力光信号Ｅｏｕｔは、ｘ-ｙ平面外の方向に伝播し（すなわち、Ｅｏｕｔの伝播方向はゼロ以外のｚ成分を有する）、結合器９０１の設計によって定義される偏光状態で偏光される。
【0132】
受信機として、結合器９０１は、入力光信号Ｅｉｎをコヒーレント感知ユニット９００に結合することができる。結合器９０１によって結合された入力光信号Ｅｉｎは、入力光信号Ｅｉｎの偏光状態に応じて、導波路９２２および９３３のいずれかまたは両方に向けることができる。導波路９２２および９３３に結合される入力光信号Ｅｉｎの偏光成分は、結合器９０１の設計に依存する。いくつかの実施形態によれば、出力光信号Ｅｏｕｔの偏光と直交する入力光信号Ｅｉｎの偏光成分は、内部結合光信号Ｅ２として導波路９２２に導かれるとよく、導波路９２２に導かれる入力光信号Ｅｉｎの偏光成分と直交する入力光信号Ｅｉｎの偏光成分は、内部結合光信号Ｅ３として導波路９３３に導かれるとよい。
【0133】
図９では、結合器９０１は単一の実体として描かれているが、結合器９０１は一般に、単一の光コンポーネントまたは複数の光コンポーネントを備えることができる。結合器９０１の実施形態は、以下にさらに詳細に説明する図１０Ａ、図１１Ａ、および図１３Ａに示されている。いくつかの実施形態によれば、図１Ａおよび図１Ｂの結合器１０１と同様に、結合器９０１は、ＴＥ－ＴＭモードコンバータ、スプリッタ、およびコンバイナのいずれかを備えることもできる。
【0134】
図９において、分割カプラー９０６は、ＬＯ ＥＬＯを導波路９３４から分割し、ＬＯの一部をＬＯ ＥＬＯ，１として導波路９２３に導き、ＬＯの一部をＬＯ ＥＬＯ，２として導波路９３５に導く。導波路９２３および９３５にそれぞれ通過するＬＯの部分は、分割カプラー９０６の分割比および損失に依存する。いくつかの実施形態によれば、分割カプラー９０６は５０／５０分割カプラーであってもよい。他の実施形態によれば、分割カプラー９０６は、５０／５０以外の分割比を有していてもよい。
【0135】
図９では、構成要素９０２は、導波路９２２からの内部結合光信号Ｅ２と導波路９２３からのＬＯ ＥＬＯ，１を混合し、混合された信号を分割して導波路９２４および９２５に向ける２×２光カプラーである。いくつかの実施形態によれば、２×２光カプラー９０２は、図７Ａのコヒーレント感知ユニット７００の２×２光カプラー７０２と同様であるとよい。
【0136】
図９では、構成要素９０３は、導波路９２４からの光信号を受信して検出する二乗法則光検出器である。同様に、図９では、構成要素９０４は、導波路９２５からの光信号を受信して検出する二乗則光検出器である。いくつかの実施形態によれば、光検出器９０３および９０４は、図７Ａのコヒーレント感知ユニット７００の光検出器７０３および７０４と同様であるとよい。
【0137】
図９では、図７Ａのコヒーレント感知ユニット７００の２×２光カプラー７１２と同様に、コンポーネント９１２は、導波路９３３からの内部結合光信号Ｅ３と導波路９３５からのＬＯ ＥＬＯ，２とを混合する２×２光カプラーである。そして、混合された信号を分割して導波路９３６および９３７に導く。
【0138】
図９では、構成要素９１３は、導波路９３６からの光信号を受信して検出する二乗法則光検出器である。同様に、図９では、コンポーネント９１４は、導波路９３７からの光信号を受信して検出する二乗光検出器である。いくつかの実施形態によれば、光検出器９１３および９１４は、図７Ａのコヒーレント感知ユニット７００の光検出器７１３および７１４と同様であるとよい。
【0139】
図１０Ａは、本開示の一実施形態による３つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器１０００を示す上面図である。図１０Ｂは、図１０Ａに示された結合器１０００を示す斜視図である。図１０Ｂはさらに、サブカプラー１００１および１００２と結合する偏光された出力および入力光信号Ｅ１０、Ｅ２３、およびＥ３３を示す。結合器１０００は、図１０Ａの破線で示されるように、２つのサブカプラー１００１および１００２を備える。いくつかの実施形態によれば、サブカプラー１００１は、図１Ｂに示すような偏光多様化自由空間対導波路結合器１０１、または図２に示すような偏光多様化自由空間対導波路結合器２００のいずれかによって実現されるとよい。一方、サブカプラー１００２は、単一の導波路に結合される、格子結合器を含むがこれに限定されない自由空間対導波路結合器によって実現されるとよい。他の実施形態によれば、サブカプラー１００２は、偏光に依存しない自由空間対導波路結合器によって実現されるとよい。
【0140】
図１０Ａを参照すると、一方で、導波管９２１は出力結合導波管としてサブカプラー１００１に接続され、導波管９２２は第１の入力結合導波管としてサブカプラー１００１に接続される。一方、導波路９３３は、第２の内部結合導波路としてサブカプラー１００２に接続されている。ここで、導波路９２１、９２２、および９３３は、図９に示すコヒーレント感知ユニット９００の導波路９２１、９２２、および９３３と同じである。
【0141】
図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、サブカプラー１００１の主な機能の１つは、ターゲット照明用の光信号を出力結合するための送信機として機能することである。導波路９２１内の光信号Ｅ１は、サブカプラー１００１によって出力光信号Ｅ１０として自由空間に出力結合されるとよい。図１Ｂの結合器１０１と同様に、出力光信号Ｅ１０はサブカプラー１００１の設計に従って偏光される。例えば、図１０Ｂに示すように、光信号Ｅ１０はｘ方向に沿って直線偏光される。
【0142】
図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、サブカプラー１００１の別の主な機能は、入力光信号をコヒーレント感知ユニット９００に入力結合する受信機として機能することである。ここで、入力光信号の偏光状態は、出力光信号の偏光と直交する。出力光信号Ｅ１０と直交する偏光を有する入力光信号Ｅ２３は、サブカプラー１００１によって内部結合され、導波路９２２内に内部結合光信号Ｅ２を生じさせる。図１の結合器１０１と同様に、サブカプラー１００１によって最適に入力結合される入力光信号Ｅ２３の偏光は、サブカプラー１００１の設計に従って決定される。例えば、図１０Ｂに示すように、最適に内部結合された光信号Ｅ２３は、ｙ方向に沿って直線偏光される。
【0143】
図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、サブカプラー１００２の主な機能は、入力光信号をコヒーレント感知ユニット９００に入力結合する受信機として機能することである。ここで、入力光信号の偏光状態は、サブカプラー１００１によって導波路９２２に結合された入力光信号の偏光と直交する。光信号Ｅ２３の偏光と直交する偏光を有する入力光信号Ｅ３３は、サブカプラー１００２によって内部結合され、導波路９３３内に内部結合光信号Ｅ３が生じる。サブカプラー１００１と同様に、サブカプラー１００２によって最適に結合される入力光信号Ｅ３３の偏光は、サブカプラー１００２の設計に従って決定される。例えば、図１０Ｂに示すように、最適に内部結合された光信号Ｅ３３は、ｘ方向に沿って直線偏光しており、出力光信号Ｅ１０の偏光と同じである。
【0144】
図１０Ｃは、本開示の一実施形態による、光信号を結合するための３つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器とともに使用するための偏光変換分離構成１０１０を示す側面図である。図１０Ｄは、光信号を内部結合するために使用される図１０Ｃに示される構成１０１０を示す側面図である。偏光変換分離構成１０１０は、結合器１０００に到着する入力光信号Ｅ２３およびＥ３３と、結合器１０００によって放射される出力光信号Ｅ１０が共通の光路に沿って伝播することを可能にし、共通の光路は構成１０１０とターゲットとの間に位置する。偏光変換分離構成１０１０は、図１０Ｃおよび図１０Ｄに示すように、ファラデー回転子１０５１、オプションの偏光回転子１０５２、および偏光依存ビームセパレータ１０４１を備える。例示の目的で、図１０Ｅは、図１０Ｃにおける光信号の偏光状態を示す上面図である。 同様に、図１０Ｆは、図１０Ｄにおける光信号の偏光状態を示す上面図である。
【0145】
光信号伝送の場合、図１０Ｂおよび図１０Ｃに示すように、結合器１０００のサブカプラー１００１は、導波路９２１から光信号Ｅ１を出力結合して、光信号Ｅ１０を生じさせることができる。これは、サブカプラー１００１の設計に従って直線偏光され（例えば、ｘ方向に沿って直線偏光）、サブカプラー１００１から（例えば、正のｚ方向に向かって）自由空間に伝播する。図１０Ｃおよび図１０Ｅに示すように、ファラデー回転子１０５１は、光信号Ｅ１０の偏光をある角度（例えば、４５度）回転させて、光信号Ｅ１１を生じさせることができる。 (例えば、Ｅ１１ はｘ方向に対して４５度の角度の方向に沿って直線偏光する)。オプションの偏光回転子１０５２は、図５Ｃの偏光回転子５０２と同様であり、Ｅ１１の偏光をある角度（例えば、４５度）だけ回転させて光信号Ｅ１２を生じさせることができる（例えば、Ｅ１２はｙ方向に沿った直線偏光である）。偏光依存ビームセパレータ１０４１は、図４Ｃの偏光依存ビームセパレータ４０１と同様であり、（偏光依存性ビームセパレータ１０４１の構成に応じて、ｏ線として現れる可能性がある）光信号Ｅ１２がそれを通って意図された光路に沿って（例えば、横方向の変位なしでＥ１２と同じ光路に沿って）伝播する光信号Ｅ１３を生じさせることができるように構成されるとよい。いくつかの実施形態によれば、光信号Ｅ１３は、Ｅ１２と同じ偏光で偏光されてもよい（すなわち、ｙ方向に沿って直線偏光されてもよい）。次いで、光信号Ｅ１３をターゲット照明に使用することができる。図５Ａおよび図５Ｃの偏光回転子５０２と同様に、いくつかの実施形態によれば、オプションの偏光回転子１０５２の機能は、ターゲット照明用の偏光依存ビームセパレータ１０４１から出力される光信号を、結合器１０００によって定義される偏光基準成分の１つとして同じ方向に沿って偏光できるようにするとよい。（例えば、図１０Ｃの実施形態による光信号Ｅ１０の偏光に直交する）。
【0146】
いくつかの実施形態によれば、偏光変換分離構成１０１０における任意の偏光回転子１０５２は省略されてもよく、その結果、光信号Ｅ１１と同じ偏光状態を有する出力光信号がターゲット照明に使用されるとよい。このような状況では、偏光依存性ビームセパレータ１０４１は、光信号Ｅ１１の偏光方向に従って偏光依存性ビームセパレータ１０４１の光軸を配向することによって、光学的に 信号Ｅ１１は、意図された光路に沿って伝播する単一の光信号として偏光依存性ビームセパレータ１０４１から出力することができる。(例: 横方向の変位なしでＥ１１のパスを継続する)。いくつかの実施形態によれば、偏光依存性ビームセパレータ１０４１は、光信号Ｅ１１が偏光依存性ビームセパレータ１０４１の構成に従ってｏ線として現れ得るように、サブカプラー１００１に関して構成されるとよい。
【0147】
光信号受信の場合、ターゲットからの入力光信号は、光路と同じであるが反対方向に伝播する。図１０Ｃの光信号Ｅ１３は、図１０Ｄに示される入力光信号Ｅ２０およびＥ３０の偏光と同じ偏光を有する２つの入力光信号成分の一方または両方を含むとよい。ここで、光信号Ｅ２０は光信号Ｅ１３の偏光と同じ方向に沿って直線偏光され、光信号Ｅ３０は光信号Ｅ２０の偏光と直交する方向に沿って直線偏光される。例えば、図１０Ｄに示すように、Ｅ２０はｙ方向に沿って直線偏光され、Ｅ３０はｘ方向に沿って直線偏光される。
【0148】
図１０Ｄおよび図１０Ｆを参照すると、入力光信号Ｅ２０は、偏光依存ビームセパレータ１０４１を通過して、図１０ＣのＥ１２と同じ偏光（すなわち、ｙ方向に沿って直線偏光）を有する光信号Ｅ２１を生じさせることができる。ここで、光信号Ｅ２１は、偏光依存性ビームセパレータ１０４１に関してｏ線として現れるとよい。光伝播の相反性を考慮して、偏光回転子１０５２は、Ｅ２１の偏光をある角度（例えば、４５度）回転させて、図１０Ｃの光信号Ｅ１１の偏光と同じ方向に沿って直線偏光された光信号Ｅ２２を生じさせることができる。しかしながら、光信号Ｅ２２の伝播方向は光信号Ｅ１１の伝播方向と逆であるため、光伝播の相反性を破るファラデー回転子１０５１は、光信号Ｅ２２の偏光をある角度（例えば４５度）回転させて、光信号Ｅ２３は、光信号Ｅ１０の偏光に対して直交する（すなわち、ｙ方向に沿った）直線偏光を有する。次に、光信号Ｅ２３は、サブカプラー１００１によって内部結合されて、図１０Ｂに示されるように、導波路９２２に向けられる内部結合光信号Ｅ２を生じさせることができる。
【0149】
図１０Ｄおよび図１０Ｆを参照すると、光信号Ｅ３０は、偏光依存性ビームセパレータ１０４１を介して、Ｅ２０の偏光と直交する方向に沿って直線偏光されているので、光信号Ｅ３０は、光信号Ｅ２１の光路とは空間的に異なる光路に沿って伝播し、Ｅ２１の偏光と直交する偏光を有する光信号Ｅ３１を生じさせることができる。図１０Ｄの実施形態によれば、入力光信号Ｅ３１はｘ方向に沿って直線偏光され、光信号Ｅ２１と同じ方向に光路に沿って伝播するが、負のｘ方向に向かって横に変位する。図１０Ｄに示されるように、光信号Ｅ３１は、偏光依存ビームセパレータ１０４１に関してｅ線として現れるとよい。次に、偏光回転子１０５２は、Ｅ３１の偏光をある角度（例えば、４５度）回転させて、光信号Ｅ２２の偏光と直交する方向に沿って直線偏光された光信号Ｅ３２を生じさせることができる。ファラデー回転子１０５１は、光信号Ｅ３２の偏光をある角度（例えば、４５度）回転させて、光信号Ｅ２３の偏光に直交する（すなわち、ｘ方向に沿った）直線偏光を有する光信号Ｅ３３を生じさせることができる。次に、光信号Ｅ３３はサブカプラー１００２によって内部結合されて、図１０Ｂに示すように導波路９３３に向けられる内部結合光信号Ｅ３を生じさせることができる。
【0150】
前述したいくつかの実施形態によれば、オプションの偏光回転子１０５２は省略され、Ｅ１１と同じ偏光を有する光信号がターゲット照明に使用されるとよい。したがって、図１０Ｃの光信号Ｅ１１と同じ光路に沿って反対方向に伝播するターゲットからの入力光信号は、同じ偏光を有する２つの入力光信号成分の一方または両方を含むことができる。光信号Ｅ２２およびＥ３２は、図１０Ｄに示されており、光信号Ｅ２２は、光信号Ｅ１１の偏光と同じ方向に沿って直線偏光され、光信号Ｅ３２は、光信号Ｅ２２の偏光と直交する方向に沿って直線偏光されている。このような状況では、光信号Ｅ１１の偏光方向に従って構成された偏光依存性ビームセパレータ１０４１は、光信号Ｅ２２に対して、光信号Ｅ２２の光路と同じであるがＥ１１の光路とは逆方向の光路を生じさせることができる。一方、光信号Ｅ３２は、偏光回転子１０５２の状況とは異なるように変位された別の空間的に別個の光路に沿って伝播することができる。例えば、入力光信号Ｅ３２は、光信号Ｅ２２と同じ方向に光路に沿って伝播するが、図１０Ｄのような負のｘ方向ではないｘ-ｙ平面上の方向に向かって横に変位する。横方向の変位の異なる方向を補償するには、それに応じてサブカプラー１００２の位置を基板表面上で調整する必要があるかもしれない。
【0151】
いくつかの実施形態によれば、偏光変換分離構成１０１０の構成要素は、図１０Ｃに示されるように別個の構成要素として示されてもよい。他の実施形態によれば、偏光変換分離構成１０１０の一部またはすべての構成要素は、単一の結合構成要素として現れるとよい。さらに、いくつかの実施形態によれば、偏光変換分離構成１０１０は、図１０Ｃに示すように、偏光多様化自由空間対導波路結合器１０００を備えるＰＩＣチップとは別個の光学アセンブリであってもよい。他の実施形態によれば、偏光変換分離構成１０１０の一部またはすべての構成要素は、結合器１０００を含むＰＩＣチップの表面に取り付けられてもよい。さらなる実施形態によれば、偏光変換分離構成１０１０の一部またはすべての構成要素は、結合器１０００を構成するＰＩＣチップ内にあってもよいし、その一部であってもよい。
【0152】
図１０Ｂ、図１０Ｃ、および図１０Ｄでは、例示の目的で、光信号は、ｚ方向に沿って伝播し、結合器１０００、偏光依存ビームセパレータ１０４１、ファラデー回転子１０５１、および偏光回転子１０５２に垂直に入射するように描かれている。一般に、光信号の伝播方向は、これらの構成要素に対して垂直入射であってもよく、垂直入射以外の入射角であってもよい。
【0153】
図１１Ａは、本開示の別の実施形態による３つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器１１００を示す斜視図である。３つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器１１００（本明細書では簡単にするために「結合器１１００」と呼ぶ）は、図１１Ａの破線で示すように、３つのサブカプラー１１０１、１１０２、および１１０３を備える。いくつかの実施形態によれば、サブカプラー１１０１、１１０２、および１１０３のそれぞれは、単一の導波路に結合される格子結合器を含むが、これに限定されない自由空間対導波路結合器によって実現されてもよい。他の実施形態によれば、サブカプラー１１０２および１１０３のそれぞれは、偏光独立自由空間対導波路結合器によって実現されるとよい。
【0154】
図１１Ａを参照すると、導波管９２１は出力結合導波管としてサブカプラー１１０１に接続され、導波管９２２は第１の入力結合導波管としてサブカプラー１１０２に接続され、導波路９３３は、第２の入力結合導波路としてサブカプラー１１０３に接続されている。ここで、図１１Ａの導波路９２１、９２２、９３３は、図９のコヒーレント感知ユニット９００の導波路９２１、９２２、９３３と同じである。
【0155】
図１１Ａに示すように、サブカプラー１１０１の主な機能は、ターゲット照明用の光信号を出力結合するための送信機として機能することである。導波路９２１内の光信号Ｅ１は、サブカプラー１１０１によって出力光信号Ｅ０１として自由空間に出力結合される。発信光信号Ｅ０１は、サブカプラー１１０１の設計に従って偏光される。例えば、光信号Ｅ０１は、図１１Ａに示すように、ｘ方向に沿って直線偏光される。
【0156】
図１１Ａに示すように、サブカプラー１１０２の主な機能は、図９のコヒーレント感知ユニット９００に入力光信号を入力結合する受信機として機能することである。ここで、入力光信号の偏光状態は、出力光信号の偏光と直交する。図１１Ａを参照すると、発信光信号Ｅ０１に対して直交する偏光を有する入力光信号Ｅ２４は、サブカプラー１１０２によって内部結合されて、導波路９２２内に内部結合光信号Ｅ２を生じさせることができる。サブカプラー１１０２によって最適に内部結合される入力光信号Ｅ２４の偏光は、サブカプラー１１０２の設計に従って決定される。一例として、最適に内部結合された光信号Ｅ２４は、図１１Ａに示すようにｙ方向に沿って直線偏光される。
【0157】
図１１Ａに示すように、サブカプラー１１０３の主な機能は、図９のコヒーレント感知ユニット９００に入力光信号を入力結合する受信機として機能することである。ここで、入力光信号の偏光状態は、サブカプラー１１０２によって導波路９２２に結合された入力光信号の偏光と直交する。図１１Ａを参照すると、光信号Ｅ２４と直交する偏光を有する入力光信号Ｅ３４は、サブカプラー１１０３によって内部結合され、導波路９３３内に内部結合光信号Ｅ３が生じる。サブカプラー１１０３によって最適に内部結合される入力光信号Ｅ３４の偏光は、サブカプラー１１０３の設計に従って決定される。例えば、最適に内部結合された光信号Ｅ３４は、図１１Ａに示すようにｘ方向に沿って直線偏光される。
【0158】
図１１Ｂは、本開示の別の実施形態による光信号を結合するための３つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器１１００とともに使用するための偏光変換分離構成１１１０を示す側面図である。図１１Ｃは、光信号を内部結合するために使用される図１１Ｂに示される構成１１１０を示す側面図である。図１１Ｂおよび図１１Ｃに示されるように、構成１１１０は、結合器１１００に到着する入力光信号Ｅ２４およびＥ３４と、結合器１１００によって放射される出力光信号Ｅ０１が共通の光路に沿って伝播することを可能にし、共通の光路は構成１１１０とターゲットとの間に位置する。偏光変換分離構成１１１０は、図１１Ｂおよび図１１Ｃに示すように、ファラデー回転子１１５１、オプションの偏光回転子１１５２、および偏光依存ビームセパレータ１１４１および１１４２を備える。例示の目的で、図１１Ｄは、図１１Ｂにおける光信号の偏光状態を示す上面図である。同様に、図１１Ｅは、図１１Ｃにおける光信号の偏光状態を示す上面図である。
【0159】
図１１Ｂおよび図１１Ｃの偏光変換分離構成１１１０は、図１０Ｃおよび図１０Ｄの偏光変換分離構成１０１０と同様である。構成１１１０と構成１０１０との間の主な違いは、図１１Ｂおよび図１１Ｃに示されるような構成１１１０が、ファラデー回転子１１５１と偏光多様化自由空間対導波路結合器１１００との間に配置される追加の偏光依存ビームセパレータ１１４２を有することである。より具体的には、図１１Ｂおよび図１１Ｃの構成要素１１４１は、図１０Ｃおよび図１０Ｄの偏光依存ビームセパレータ１０４１と同様の偏光依存ビームセパレータである。図１１Ｂおよび図１１Ｃの構成要素１１５２は、図１０Ｃおよび図１０Ｄの偏光回転子１０５２と同様のオプションの偏光回転子である。図１１Ｂおよび図１１Ｃの構成要素１１５１は、図１０Ｃおよび図１０Ｄのファラデー回転子１０５１と同様のファラデー回転子である。
【0160】
図１１Ａおよび図１１Ｂを参照すると、結合器１１００のサブカプラー１１０１は、出力光信号Ｅ０１を自由空間に出力することができる。いくつかの実施形態によれば、構成１１１０における追加の偏光依存性ビームセパレータ１１４２は、光信号Ｅ０１がｘ-ｙ平面上で横に変位されて、光信号Ｅ０１として同じ偏光を有する光信号Ｅ１０を生じ得るように構成されるとよい。ここで、光信号Ｅ０１は、偏光依存ビームセパレータ１１４２に関してｅ線として現れるとよい。図１１Ｂに示すように、光信号Ｅ０１はｘ方向に沿って直線偏光されており、出力光信号は正のｘ方向に向かって変位している。図１０Ｃの偏光変換分離構成１０１０と同様に、偏光変換分離構成１１１０のファラデー回転子１１５１、偏光回転子１１５２、および偏光依存ビームセパレータ１１４１は、１１Ｂの光信号Ｅ１０を変換して、光信号Ｅ１３を生じさせることができる。図１１Ｂに示すように、光信号Ｅ１３は、光信号Ｅ０１の方向と直交する方向（すなわち、ｙ方向）に沿って直線偏光している。
【0161】
光信号受信の場合、図１１Ｂの光信号Ｅ１３と同じであるが反対方向の光路に沿って伝播するターゲットからの入力光信号は、偏光を有する２つの入力光信号成分の一方または両方を含むことができる。これらは、図１１Ｃに示すように、入力光信号Ｅ２０およびＥ３０の信号と同じである。ここで、光信号Ｅ２０は光信号Ｅ１３の偏光と同じ方向に沿って直線偏光され、光信号Ｅ３０は光信号Ｅ２０の偏光と直交する方向に沿って直線偏光される。例えば、図１１Ｃに示すように、Ｅ２０はｙ方向に沿って直線偏光され、Ｅ３０はｘ方向に沿って直線偏光される。偏光変換分離構成１０１０と同様に、偏光変換分離構成１１１０の偏光依存ビームセパレータ１１４１、偏光回転子１１５２、およびファラデー回転子１１５１は、図１１Ｃの光信号Ｅ２０を変換して、図１１Ｂの光信号Ｅ１０の偏光と直交する偏光を有する光信号Ｅ２３を生じさせることができる。図１１Ｂおよび図１１Ｃに示すように、構成１１１０の追加の偏光依存ビームセパレータ１１４２は、光信号Ｅ２３が、図１１Ｂの光信号Ｅ０１の偏光と直交する偏光を有する光信号Ｅ２４を生じさせることができるように構成される。そして光路に沿って伝播してサブカプラー１１０２に到達する。すなわち、光信号Ｅ２４は、偏光依存ビームセパレータ１１４２に関してｏ光線として現れる可能性がある。次に、光信号Ｅ２４は、サブカプラー１１０２によって内部結合されて、図１１Ａに示すように導波路９２２に向けられる内部結合光信号Ｅ２を生じさせることができる。
【0162】
同様に、偏光変換分離構成１１１０の偏光依存ビームセパレータ１１４１、偏光回転子１１５２、およびファラデー回転子１１５１は、図１１Ｃの光信号Ｅ３０を変換して、図１１Ｃの光信号Ｅ２３の偏光と直交する偏光を有する光信号Ｅ３３を生じさせることができる。追加の偏光依存ビームセパレータ１１４２の構成により、光信号Ｅ３３は、ｘ-ｙ平面上で横に変位して、光信号Ｅ２４の偏光と直交する偏光を有する光信号Ｅ３４を生じさせることができる。これは、光信号Ｅ１０を生じさせる光信号Ｅ０１と同じ方法であるが、方向は反対である。図１１Ｃに示されるように、光信号Ｅ３３はｘ方向に沿って直線偏光され、負のｘ方向に向かって変位されて、同様にｘ方向に沿って直線偏光された光信号Ｅ３４が生じる。光信号Ｅ０１と同様に、光信号Ｅ３３は、偏光依存ビームセパレータ１１４２に関してｅ線として現れるとよい。次に、光信号Ｅ３４は、サブカプラー１１０３によって内部結合されて、図１１Ａに示すように導波路９３３に向けられる内部結合光信号Ｅ３を生じさせることができる。
【0163】
いくつかの実施形態によれば、偏光変換分離構成１１１０における任意の偏光回転子１１５２は省略されるとよく、その結果、光信号Ｅ１１と同じ偏光状態を有する出力光信号がターゲット照明に使用されるとよい。偏光変換分離構成１０１０からの任意の偏光回転子１０５２の省略と同様に、偏光分離構成１１１０における偏光回転子１１５２の省略は、偏光依存ビームセパレータ１１４１を再構成する必要がある場合がある。例えば、光信号Ｅ１１の偏光方向に従って、偏光依存ビームセパレータ１１４１の光軸を配向することによって行われる。偏光依存性ビームセパレータ１１４１の光軸の異なる配向を補償するために、サブカプラー１１０２および１１０３の位置のいずれかまたは両方も、それに応じて基板表面上で調整する必要がある場合がある。
【0164】
偏光変換分離構成１０１０と同様に、いくつかの実施形態によれば、偏光変換分離構成１１１０の構成要素は、図１１Ｂに示すように別個の構成要素として示されてもよい。他の実施形態によれば、偏光変換分離構成１１１０の一部またはすべての構成要素は、単一の結合構成要素として現れるとよい。さらに、いくつかの実施形態によれば、偏光変換分離構成１１１０は、図１１Ｂに示すように、偏光多様化自由空間対導波路結合器１１００を備えるＰＩＣチップとは別個の光学アセンブリであってもよい。他の実施形態によれば、偏光変換分離構成１１１０の一部またはすべての構成要素は、結合器１１００を備えるＰＩＣチップの表面に取り付けられてもよい。さらなる実施形態によれば、偏光変換分離構成１１１０の一部またはすべての構成要素は、結合器１１００を構成するＰＩＣチップ内にあってもよいし、その一部であってもよい。
【0165】
図１１Ａ、図１１Ｂ、および図１１Ｃでは、例示の目的で、光信号は、ｚ方向に沿って伝播し、結合器１１００、偏光依存ビームセパレータ１１４１および１１４２、ファラデー回転子１１５１、および偏光回転子１１５２に垂直に入射するように示されている。一般に、光信号の伝播方向は、これらの構成要素に対して垂直入射であってもよく、垂直入射以外の入射角であってもよい。
【0166】
図１２Ａは、本開示のさらなる実施形態による光信号を結合するための３つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器１１００とともに使用するための偏光変換分離構成１２１０を示す側面図である。図１２Ｂは、光信号を内部結合するために使用される図１２Ａに示される構成１２１０を示す側面図である。構成１２１０は、結合器１１００に到着する入力光信号Ｅ２４およびＥ３４と、結合器１１００によって放射される出力光信号Ｅ０１が共通の光路に沿って伝播することを可能にし、共通の光路は構成１２１０とターゲットとの間に位置する。図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、偏光変換分離構成１２１０は、ファラデー回転子１２５１、任意選択の偏光回転子１２５２、偏光依存性ビームセパレータ１２４１および１２４２、および任意選択の四分の一波長板１２６１を備える。例示の目的で、図１２Ｃは、図１２Ａにおける光信号の偏光状態を示す上面図である。同様に、図１２Ｄは、図１２Ｂの光信号の偏光状態を示す上面図である。
【0167】
図１２Ａおよび図１２Ｂの偏光変換分離構成１２１０は、図１１Ｂおよび図１１Ｃの偏光変換分離構成１１１０の修正実施形態である。構成１１１０からの構成 １２１０の主な変更点は次のとおりである。（１）構成１２１０の偏光回転子１２５２は、存在する場合、構成１１１０の偏光回転子１１５２によってもたらされる回転方向とは反対の方向に偏光回転をもたらすように構成される。（２）構成１２１０の偏光依存性ビームセパレータ１２４１は、オプションの偏光回転子１２５２が存在する場合に、偏光依存ビームセパレータ１２４２によってもたらされる横方向の変位とは反対の方向に、横方向の変位があれば、それをもたらすような方法で、例えば、偏光依存性ビームセパレータ１２４１の光軸を配向させることによって構成される。（３）構成１２１０は、偏光依存性ビームセパレータ１２４１とターゲットとの間に配置される追加の１／４波長板１２６１を備える。したがって、構成１２１０の偏光依存ビームセパレータ１２４２は、構成１１１０の偏光依存ビームセパレータ１１４２と同様であり、構成１２１０のファラデー回転子１２５１は、構成１１１０のファラデー回転子１１５１と同様である。
【0168】
一方では、図１２Ｂを参照すると、上述の構成１２１０の修正（１）および（２）により、経路長を有する光信号Ｅ２０、Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ２３、およびＥ２４の光経路が得られる可能性がある。この光経路は、図１１Ｃに示す構成１１１０の対応する光路と比較して、光信号Ｅ３０、Ｅ３１、Ｅ３２、Ｅ３３、およびＥ３４の光路の路長と同様である。したがって、変形例（１）および（２）は、サブカプラー１１０２および１１０３にそれぞれ到着する光信号Ｅ２４およびＥ３４の間の位相差を最小化するという利点を有するとよい。図１２Ａを参照すると、上述の修正（１）および（２）は、オプションの偏光回転子１２５２が存在する場合、サブカプラー１１０１の表面上の光信号Ｅ０１の放射位置および方向に類似する偏光依存ビームセパレータ１２４１の表面上の位置および方向に光信号Ｅ１３を放射することも可能にすることができる。したがって、変形例（１）および（２）は、結合器１１００のサブカプラー１１０１からの出力光信号を使用することによって、結合器１１００を備えた偏光変換分離構成１２１０の設置のための簡略化された光学的位置合わせを可能にするという別の利点を有するとよい。
【0169】
一方、図１２Ａおよび図１２Ｃを参照すると、上述の変形例（３）により、円偏光光信号Ｅ１Ｃをターゲット照明に使用することが可能になる。より具体的には、４分の１波長板１２６１は、直線偏光光信号Ｅ１３を変換して、ターゲット照明用の円偏光光信号Ｅ１Ｃを生じさせることができる。図１２Ａおよび図１２Ｃに示されるように、光信号Ｅ１３はｘ方向に沿って直線偏光され、光信号Ｅ１Ｃはその伝播方向に関して右円偏光される。光信号受信の場合、ターゲットから入ってくる光信号は、任意の２つの直交偏光に従って分解できる。図１２Ｂおよび図１２Ｄに示すように、負のｚ方向に向かって伝播するターゲットからの入力光信号は、２つの偏光成分Ｅ２ＣおよびＥ３Ｃのいずれかまたは両方を含むとよい。ここで、それらの一方は伝播方向に関して右円偏光であり、他方は左円偏光である。図１２Ｂおよび図１２Ｄに示すように、負のｚ方向に関して、Ｅ２Ｃは右円偏光であり、Ｅ３Ｃは左円偏光である。図１２Ｂに示すように、４分の１波長板１２６１は、光信号Ｅ２Ｃを変換して直線偏光の光信号Ｅ２０を生じさせ、光信号Ｅ３Ｃを変換してＥ２０と直交する偏光を有する光信号Ｅ３０を生じさせることができる。図１２Ｂおよび図１２Ｄに示すように、Ｅ２０はｘ方向に沿って直線偏光され、Ｅ３０はｙ方向に沿って直線偏光される。いくつかの態様では、修正（３）によって可能になるターゲット照明に直線偏光光信号の代わりに円偏光光信号を使用することは、ターゲットまたはターゲット表面の特定の特性に起因する重大な信号損失の可能性を最小限に抑えるという利点を有する可能性がある。このような重大な信号損失は、ターゲット表面が直線偏光の照明光信号に偶然直交する直線偏光の光を優先的に反射する場合などの状況で発生する可能性があるが、これに限定されない。円偏光の照明光信号は常に、そのような状況下での反射光信号の消失を回避できる一対の直交する直線偏光成分を含んでいる。
【0170】
いくつかの実施形態によれば、偏光変換分離構成１２１０における任意の偏光回転子１２５２は省略されてもよい。偏光変換分離構成１１１０からの任意の偏光回転子１１５２の省略と同様に、偏光変換分離構成１２１０における偏光回転子１２５２の省略は、偏光依存ビームセパレータ１２４１および四分の一波長板１２６１を再構成する必要がある場合がある。それは、例えば、光信号Ｅ１１の偏光方向に従って、偏光依存ビームセパレータ１２４１および４分の１波長板１２６１の光軸を配向することによって行われる。サブカプラー１１０２および１１０３の位置のいずれかまたは両方も、偏光依存性ビームセパレータ１２４１および１／４波長板１２６１の光軸の異なる配向を補償するために、それに応じて基板表面上で調整する必要がある場合がある。
【0171】
偏光変換分離構成１１１０と同様に、いくつかの実施形態によれば、偏光変換分離構成１２１０の構成要素は、図１２Ａに示されるように別個の構成要素として示されてもよい。他の実施形態によれば、偏光変換分離構成１２１０の一部またはすべての構成要素は、単一の結合構成要素として現れるとよい。さらに、いくつかの実施形態によれば、偏光変換分離構成１２１０は、図１２Ａに示す偏光多様化自由空間対導波路結合器１１００を備えるＰＩＣチップとは別個の光学アセンブリであってもよい。他の実施形態によれば、偏光変換分離構成１２１０の一部またはすべての構成要素は、結合器１１００を備えるＰＩＣチップの表面に取り付けられてもよい。さらなる実施形態によれば、偏光変換分離構成１２１０の一部またはすべての構成要素は、結合器１１００を構成するＰＩＣチップ内にあってもよいし、その一部であってもよい。
【0172】
図１２Ａおよび図１２Ｂでは、例示の目的で、光信号は、ｚ方向に沿って伝播し、結合器１１００、偏光依存ビームセパレータ１２４１および１２４２、ファラデー回転子１２５１、偏光回転子１２５２、および四分の一波長板１２６１に垂直に入射するように示されている。一般に、光信号の伝播方向は、これらの構成要素に対して垂直入射であってもよく、垂直入射以外の入射角であってもよい。
【0173】
図１３Ａは、本開示のさらなる実施形態による３つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器１３００を示す上面図である。図１３Ｂは、図１３Ａに示された結合器１３００を示す斜視図である。さらに、図１３Ｂは、サブカプラー１３０１、１３０２、および１３０３とそれぞれ結合する偏光された出力および入力光信号Ｅ０１、Ｅ２４、およびＥ３４を示す図である。３つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器１３００（本明細書では簡単にするために「結合器１３００」と呼ぶ）は、図１３Ａおよび図１３Ｂの破線で示すように、３つのサブカプラー１３０１、１３０２、および１３０３を備える。いくつかの実施形態によれば、サブカプラー１３０１、１３０２、および１３０３のそれぞれは、単一の導波路に結合される、格子結合器を含むが、これに限定されない自由空間対導波路結合器によって実現されてもよい。他の実施形態によれば、サブカプラー１３０２および１３０３のそれぞれは、偏光独立自由空間対導波路結合器によって実現されてもよい。結合器１３００は、図１１Ａに示す結合器１１００の変形実施形態である。図１３Ａおよび図１３Ｂの結合器１３００のサブカプラー１３０１は、図１１Ａの結合器１１００のサブカプラー１１０１と同様である。図１３Ａおよび図１３Ｂの結合器１３００のサブカプラー１３０２は、図１１Ａの結合器１１００のサブカプラー１１０２と同様である。図１３Ａおよび図１３Ｂの結合器１３００のサブカプラー１３０３は、図１１Ａの結合器１１００のサブカプラー１１０３と同様である。結合器１３００と結合器１１００を比較すると、結合器１３００のサブカプラーの空間的配置は、図９のコヒーレント感知ユニット９００のいくつかの実施形態にとって有利である可能性がある（例えば、よりコンパクトである）。
【0174】
図１３Ｃは、本開示のさらなる実施形態による光信号を結合するための３つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器１３００とともに使用するための偏光変換分離構成１３１０を示す側面図である。図１３Ｄは、図１３Ｃに示された構成１３１０の別を示す側面図である。図１３Ｅは、光信号を内部結合するために使用される図１３Ｃに示されるような構成１３１０を示す側面図である。図１３Ｆは、図１３Ｅに示された構成１３１０の別を示す側面図である。図１３Ｃおよび図１３Ｅに示されるように、構成１３１０は、結合器１３００に到着する入力光信号Ｅ２４およびＥ３４と、結合器１３００によって放出される出力光信号Ｅ０１が共通の光路に沿って伝播することを可能にし、共通の光路は構成１３１０とターゲットとの間に位置する。
【0175】
例示の目的で、図１３Ｇは、図１３Ｃおよび図１３Ｄにおける光信号のｘ-ｙ平面上の偏光状態および経路位置を示す上面図である。また、図１３Ｇには、図１３Ｇにおける光信号の経路位置の基準としてｘ-ｙ平面上のサブカプラー１３０１、１３０２、および１３０３の位置を示す結合器１３００の上面図を示す挿入図が示されている。同様に、図１３Ｈは、図１３Ｅおよび図１３Ｆの光信号のｘ-ｙ平面上の偏光状態および経路位置を示す上面図である。図１３Ｈのｘ-ｙ平面上の経路位置は、図１３Ｇの挿入図に示されるサブカプラー１３０１、１３０２、および１３０３の位置を参照することができる。
【0176】
図１３Ｃ、図１３Ｄ、図１３Ｅ、および図１３Ｆによれば、偏光変換分離構成１３１０は、ファラデー回転子１３５１、オプションの偏光回転子１３５２、偏光依存ビームセパレータ１３４１および１３４２、ならびにオプションの四分の一波長板１３６１を備える。
【0177】
図１３Ｃ、図１３Ｄ、図１３Ｅ、および図１３Ｆに示される偏光変換分離構成１３１０は、図１１Ｂおよび図１１Ｃの偏光変換分離構成１１１０の修正実施形態である。構成１１１０からの構成１３１０の主な変更点は次のとおりである。（１）構成１３１０の偏光依存性ビームセパレータ１３４１は、これに限定されないが、横方向の変位が存在する場合にその影響を与えるような方法で偏光依存性ビームセパレータ１３４１の光軸を配向することによって構成され、オプションの偏光回転子１３５２が存在する場合、偏光依存ビームセパレータ１３４２によってもたらされる横方向変位に垂直なｘ-ｙ平面上の方向に偏光依存性ビームセパレータ１３４１の光軸を配向することによって構成される。（２）構成１３１０は、偏光依存性ビームセパレータ１３４１とターゲットとの間に配置された追加の１／４波長板１３６１を備える。したがって、構成１３１０の偏光依存ビームセパレータ１３４２は、構成１１１０の偏光依存ビームセパレータ１１４２と同様であり、構成１３１０のファラデー回転子１３５１は、構成１１１０のファラデー回転子１１５１と同様であり、構成１３１０の偏光回転子１３５２は、構成１１１０の偏光回転子１１５２と同様である。
【0178】
より具体的には、偏光変換分離構成１３１０では、偏光依存ビームセパレータ１３４２は、図１３Ｃおよび図１３Ｅに示すように、ｘ方向に沿った横方向の変位（存在する場合）を生じさせる。一方、偏光依存ビームセパレータ１３４１は、図１３Ｄおよび図１３Ｆに示すように、ｙ方向に沿った横方向の変位があれば、それを生じさせる。これは、偏光変換分離構成１１１０および１２１０とは対照的であり、いずれの構成でも偏光依存ビームセパレータは、もしあれば、ｘ方向に沿った横方向の変位をもたらす。
【0179】
図１２Ａおよび図１２Ｂの偏光変換分離構成１２１０と同様に、図１３Ｅおよび図１３Ｆを参照すると、上述の構成１３１０の修正（１）により、図１１Ｃに示す構成１１１０の対応する光路と比較して、光信号Ｅ３０、Ｅ３１、Ｅ３２、Ｅ３３、およびＥ３４の光路の路長と同様である光路長を有する光信号Ｅ２０、Ｅ２１、Ｅ２２、Ｅ２３、およびＥ２４の光路が得られるとよい。図１３Ｅおよび図１３Ｆに示す光信号Ｅ２ＣおよびＥ３Ｃのそれぞれは、四分の一波長板１３６１から結合器１３００へ偏光依存性ビームセパレータ１３４１、偏光回転子１３５２、ファラデー回転子１３５１、および偏光依存性ビームセパレータ１３４２を通って伝播するときに、１つの横方向の変位を受ける。したがって、変形例（１）は、サブカプラー１３０２および１３０３にそれぞれ到達する光信号Ｅ２ＣおよびＥ３Ｃの間の位相差を最小化するという利点を有するとよい。
【0180】
【0181】
いくつかの実施形態によれば、偏光変換分離構成１３１０における任意の偏光回転子１３５２は省略されてもよい。偏光変換分離構成１２１０からの任意の偏光回転子１２５２の省略と同様に、偏光分離構成１３１０における偏光回転子１３５２の省略は、偏光依存ビームセパレータ１３４１および四分の一波長板１３６１を再構成する必要がある場合がある。例えば、それは、光信号Ｅ１１の偏光方向に従って、偏光依存ビームセパレータ１３４１および１／４波長板１３６１の光軸を配向する。サブカプラー１３０２および１３０３の位置のいずれかまたは両方も、偏光依存ビームセパレータ１３４１および１／４波長板１３６１の光軸の異なる配向を補償するために、それに応じて基板表面上で調整する必要がある場合がある。
【0182】
偏光変換分離構成１１１０と同様に、いくつかの実施形態によれば、偏光変換分離構成１３１０の構成要素は、図１３Ｃに示すように別個の構成要素として示されてもよい。他の実施形態によれば、偏光変換分離構成１３１０の一部またはすべての構成要素は、単一の結合構成要素として現れるとよい。さらに、いくつかの実施形態によれば、偏光変換分離構成１３１０は、図１３Ｃに示すように、偏光多様化自由空間対導波路結合器１３００を備えるＰＩＣチップとは別個の光学アセンブリであってもよい。他の実施形態によれば、偏光変換分離構成１３１０の一部またはすべての構成要素は、結合器１３００を備えるＰＩＣチップの表面に取り付けられてもよい。さらなる実施形態によれば、偏光変換分離構成１３１０の一部またはすべての構成要素は、結合器１３００を構成するＰＩＣチップ内にあってもよいし、その一部であってもよい。
【0183】
図１３Ｂ、図１３Ｃ、図１３Ｄ、図１３Ｅ、および図１３Ｆでは、説明の目的で、光信号は、ｚ方向に沿って伝播し、結合器１３００、偏光依存ビームセパレータ１３４１および１３４２、ファラデー回転子１３５１、偏光回転子１３５２、および１／４波長板１３６１に垂直に入射するように示されている。一般に、光信号の伝播方向は、これらの構成要素に対して垂直入射であってもよく、垂直入射以外の入射角であってもよい。
【0184】
それぞれ図１Ａ、図７Ａ、図７Ｂ、図８、図９に示されるコヒーレント感知ユニット１００、７００、７１０、８００、９００は、ターゲット照明に対して固定偏光を有する出力光信号を生じさせることができる。光コヒーレントセンシングの一部のアプリケーションでは、照明光信号の偏光状態を動的に調整できることが望ましい場合がある。
【0185】
図１４は、本開示の一実施形態による、偏光ダイバーシティに基づいて光信号を送受信するコヒーレント感知ユニット１４００の平面図を示し、送信される光信号の偏光は調整可能である。コヒーレント感知ユニット１４００は、任意の偏光状態の入力光信号を検出するコヒーレント感知ユニット７００、７１０、８００、および９００と同様である。コヒーレント感知ユニット１４００とコヒーレント感知ユニット９００との間の主な違いは、コヒーレント感知ユニット１４００が、任意の偏光状態を有する出力光信号を出力結合するために使用され得る偏光多様化自由空間対導波路結合器を備えることである。さらに、任意の偏光状態の内部結合された光信号を、出力される光信号を搬送する導波路とは異なる導波路に導くことができる。
【0186】
より具体的には、図１４を参照すると、光源信号ＥＳ１およびＥＳ２のうちの少なくとも１つがコヒーレント感知ユニット１４００に供給される。光源信号ＥＳ１およびＥＳ２はそれぞれ、導波路１４２１および１４３１を通じてコヒーレント感知ユニット１４００に導かれる。いくつかの実施形態によれば、光源信号ＥＳ１およびＥＳ２は同じ光源から来てもよい。このような状況では、ＥＳ１およびＥＳ２から生じる出力光信号はコヒーレントに結合されて単一の光信号を形成する可能性がある。他の実施形態によれば、光源信号ＥＳ１およびＥＳ２は、異なる光源から来てもよい。導波路１４２１および１４３１のいずれか一方または両方は、導波路１４２１および１４３１内の光信号間の相対位相を調整するために使用されるオプションの位相器に接続されてもよい。一例として、図１４では、導波路１４３１は、位相シフトされた光源信号ＥＳ２を光信号Ｅ４として導波路１４３２に向ける位相器１４５１に接続されてもよい。いくつかの実施形態によれば、位相器１４５１は、電気光学位相器または熱光学位相器であってもよいが、これらに限定されない。局部発振器（ＬＯ）ＥＬＯは、導波管１４３４を介してコヒーレント感知ユニット１４００に供給される。
【0187】
図１４では、偏光多様化自由空間対導波路結合器１４０１（本明細書では簡単にするために「結合器１４０１」と呼ぶ）は、導波路１４２１、１４２２、１４３２、および１４３３に接続される４つの導波路結合器である。結合器１４０１は、送信機および受信機の両方として機能することができる。
【0188】
送信機として、図１４を参照すると、結合器１４０１は、導波路１４２１からの光信号Ｅ１（光源信号ＥＳ１と本質的に同じ）および導波路１４３２からの光信号Ｅ４を、１つまたは複数の出力光信号として自由空間に結合することができる。それは、光コヒーレントイメージャによるターゲット照明に使用されてもよい。結合器１４０１によって出力される出力光信号は、ｘ-ｙ平面外の方向に伝播する（すなわち、Ｅｏｕｔの伝播方向はゼロ以外のｚ成分を有する）。出力光信号は、結合器１４０１の設計によって定義される偏光状態で偏光される。いくつかの実施形態によれば、光信号Ｅ１から生じる出力光信号は、光信号Ｅ４から生じる出力光信号に対して直交偏光されるとよい。光信号Ｅ１およびＥ４がコヒーレントであるいくつかの実施形態によれば、出力光信号は、結合器１４０１の設計によって規定される偏光状態、ならびに光信号Ｅ１およびＥ４の振幅および相対位相を有する単一の出力光信号Ｅｏｕｔとして現れることができる。
【0189】
受信機として、結合器１４０１は、入力光信号Ｅｉｎをコヒーレント感知ユニット１４００に結合することができる。結合器１４０１によって結合された入力光信号Ｅｉｎは、入力光信号Ｅｉｎの偏光状態に応じて、導波路１４２２および１４３３のいずれかまたは両方に向けることができる。導波路１４２２および１４３３に結合される入力光信号Ｅｉｎの偏光成分は、結合器１４０１の設計に依存する。光信号Ｅ１がゼロ以外であるいくつかの実施形態によれば、光信号Ｅ１から生じる出力光信号Ｅｏｕｔの偏光成分と直交する入力光信号Ｅｉｎの偏光成分は、内部結合光信号Ｅ２として導波路１４２２に導かれるとよい。そして、導波路１４２２に導かれる入力光信号Ｅｉｎの偏光成分と直交する入力光信号Ｅｉｎの偏光成分は、内部結合光信号Ｅ３として導波路１４３３に導かれるとよい。光信号Ｅ４がゼロ以外である他の実施形態によれば、光信号Ｅ４から生じる出光信号Ｅｏｕｔの偏光成分と直交する入力光信号Ｅｉｎの偏光成分は、内部結合光信号Ｅ３として導波路１４３３に導かれるとよい。そして、導波路１４３３に導かれる入力光信号Ｅｉｎの偏光成分と直交する入力光信号Ｅｉｎの偏光成分は、内部結合光信号Ｅ２として導波路１４２２に導かれるとよい。
【0190】
図１４では、結合器１４０１は単一の実体として描かれているが、結合器１４０１は一般に、単一のフォトニックコンポーネントまたは複数のフォトニックコンポーネントを備えることができる。結合器１４０１の実施形態は、以下に説明する図１５Ａ、図１６Ａ、および図１７Ａに示されている。いくつかの実施形態によれば、図１Ａおよび図１Ｂの結合器１０１と同様に、結合器１４０１は、ＴＥ－ＴＭモードコンバータ、スプリッタ、およびコンバイナのいずれかを備えることもできる。
【0191】
図１４では、分割カプラー１４０６は導波路１４３４からＬＯ ＥＬＯを分割し、ＬＯの一部をＬＯ ＥＬＯ，１として導波路１４２３に導き、ＬＯの一部をＬＯ ＥＬＯ，２として導波路１４３５に導く。導波路１４２３および１４３５にそれぞれ通過するＬＯの部分は、分割カプラー１４０６の分割比および損失に依存する。いくつかの実施形態によれば、分割カプラー１４０６は５０／５０分割カプラーであってもよい。他の実施形態によれば、分割カプラー１４０６は、５０／５０以外の分割比を有してもよい。
【0192】
図１４では、構成要素１４０２は、導波路１４２２からの内部結合光信号Ｅ２と導波路１４２３からのＬＯ ＥＬＯ，１ を混合し、混合された信号を分割して導波路１４２４および１４２５に向ける２×２光カプラーである。いくつかの実施形態によれば、２×２光カプラー１４０２は、図９のコヒーレント感知ユニット９００の２×２光カプラー９０２と同様であるとよい。
【0193】
図１４では、コンポーネント１４０３は、導波路１４２４からの光信号を受信して検出する二乗光検出器である。同様に、図１４では、コンポーネント１４０４は、導波路１４２５からの光信号を受信して検出する二乗光検出器である。いくつかの実施形態によれば、光検出器１４０３および１４０４は、図９のコヒーレント感知ユニット９００の光検出器９０３および９０４と同様であるとよい。
【0194】
図１４では、図９のコヒーレント感知ユニット９００の２×２光カプラー９１２と同様に、コンポーネント１４１２は、導波路１４３３からの内部結合光信号Ｅ３と導波路１４３５からのＬＯ ＥＬＯ，２とを混合する２×２光カプラーであり、 混合信号を分割し、導波路１４３６と１４３７に送る。
【0195】
図１４では、コンポーネント１４１３は、導波路１４３６からの光信号を受信して検出する二乗光検出器である。同様に、図１４では、構成要素１４１４は、導波路１４３７から光信号を受信して検出する二乗則光検出器である。いくつかの実施形態によれば、光検出器１４１３および１４１４は、図９のコヒーレント感知ユニット９００の光検出器９１３および９１４と同様であるとよい。
【0196】
図１５Ａは、本開示の一実施形態による、４つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器１５００（本明細書では簡単にするために「結合器１５００」と呼ぶ）を示す上面図である。図１５Ｂは、図１５Ａに示された結合器１５００を示す斜視図である。図１５Ｂはさらに、サブカプラー１５０１、１５０２、１５０３、および１５０４とそれぞれ結合する、偏光された出力および入力光信号Ｅ０１、Ｅ２４、Ｅ３４、およびＥ０４を示す。結合器１５００は、図１５Ａの破線で示すように、４つのサブカプラー１５０１、１５０２、１５０３、および１５０４を備える。いくつかの実施形態によれば、サブカプラー１５０１、１５０２、１５０３、および１５０４のそれぞれは、単一の導波路に結合される、格子結合器を含むがこれに限定されない自由空間対導波路結合器によって実現されてもよい。いくつかの実施形態によれば、サブカプラー１５０２および１５０３のそれぞれは、偏光独立自由空間対導波路結合器によって実現されてもよい。結合器１５００は、図１３Ａに示されるような結合器１３００の修正実施形態であり、図１４のコヒーレント感知ユニット１４００の導波路１４３２に接続されるサブカプラー１５０４が追加されている。
【0197】
図１５Ｃは、本開示の一実施形態による光信号を結合するための４つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器１５００とともに使用するための偏光変換分離構成１５１０を示す側面図である。図１５Ｆは、光信号を内部結合するために使用される図１５Ｃに示されるような構成１５１０を示す側面図である。構成１５１０は、結合器１５００に到着する入力光信号Ｅ２４およびＥ３４と、結合器１５００によって放出される出力光信号Ｅ０１およびＥ０４が共通の光路に沿って伝播することを可能にし、共通の光路は構成１５１０とターゲットとの間に位置する。図１５Ｄは、図１５Ｃに示された構成１５１０を示す別の側面図である。図１５Ｇは、図１５Ｆに示される構成１５１０を示す別の側面図である。光信号Ｅ１およびＥ４から生じる出力光信号、およびＥ２およびＥ３を生じる入力光信号の光路および偏光状態の実施形態が、図１５Ｃ、図１５Ｄ、図１５Ｆ、および図１５Ｇに示されている。簡単にするために、導波路１４２１、１４２２、１４３２、および１４３３は、図１５Ｃ、図１５Ｄ、図１５Ｆ、および図１５Ｇでは明示的に示されていない。
【0198】
例示の目的で、図１５Ｅは、図１５Ｃおよび図１５Ｄの光信号のｘ-ｙ平面上の偏光状態および経路位置を示す上面図である。図１５Ｅはさらに、図１５Ｅにおける光信号の経路位置の基準としてｘ-ｙ平面上のサブカプラー１５０１、１５０２、１５０３、および１５０４の位置を示す結合器１５００の上面図の挿入図を示す。同様に、図１５Ｈは、図１５Ｆおよび図１５Ｇにおける光信号のｘ-ｙ平面上の偏光状態および経路位置を示す上面図である。図１５Ｈの挿入図は、図１５Ｈの光信号の経路位置の基準としてｘ-ｙ平面上のサブカプラー１５０１、１５０２、１５０３、および１５０４の位置を示す結合器１５００を示す上面図である。
【0199】
図１５Ｃ、図１５Ｄ、図１５Ｆ、および図１５Ｇに示される偏光変換分離構成１５１０は、１／４波長板１３６１が省略されていることを除いて、図１３Ｃ、図１３Ｄ、図１３Ｅ、および図１３Ｆに示される偏光変換分離構成１３１０と本質的に同じである。それは、ターゲット照明用の円偏光された出力光信号を生成するために使用される。結合器１５００および偏光変換分離構成１５１０とともに動作するコヒーレント感知ユニット１４００は、導波路１４２１および１４３２内の光信号Ｅ１およびＥ４の振幅および相対位相を調整することによって、直線偏光、円偏光または楕円偏光を含む任意の偏光状態を有する出力光信号をターゲット照明用に生成することができる。いくつかの実施形態によれば、偏光変換分離構成１５１０を使用して特定の偏光状態を有する出力光信号を生成するには、結合器１５００のサブカプラー１５０１、１５０２、１５０３、および１５０４は、以下のような方法で設計および構成する必要がある場合がある。光信号Ｅ１３およびＥ４３から結合された出力光信号の偏光の空間変動を最小化するために、図１５Ｃ、図１５Ｄおよび図１５Ｅに示すように出力光信号Ｅ１３およびＥ４３の空間的重なりを最大化する。
【0200】
図１５Ｂ、図１５Ｃ、図１５Ｄ、図１５Ｆ、および図１５Ｇでは、説明の目的で、光信号は、ｚ方向に沿って伝播し、結合器１５００、偏光依存ビームセパレータ１５４１および１５４２、ファラデー回転子１５５１に垂直に入射するように示されている。一般に、光信号の伝播方向は、これらの構成要素に対して垂直入射であってもよく、垂直入射以外の入射角であってもよい。
【0201】
図１６Ａは、本開示の別の実施形態による、４つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器１６００（本明細書では簡単にするために「結合器１６００」と呼ぶ）を示す上面図である。図１６Ｂは、図１６Ａに示された結合器１６００を示す斜視図である。図１６Ｂはさらに、サブカプラー１６０１および１６０２と結合する偏光された出力および入力光信号Ｅ１０、Ｅ４０、Ｅ２３、およびＥ３３を示す。結合器１６００は、図１６Ａの破線で示すように、２つのサブカプラー１６０１および１６０２を備える。いくつかの実施形態によれば、サブカプラー１６０１および１６０２のそれぞれは、図１Ｂに示される偏光多様化自由空間対導波路結合器１０１、または図２に示すような偏光多様化自由空間対導波路結合器２００のいずれかによって実現されるとよい。結合器１６００は、図１０Ａに示す結合器１０００の変形実施形態であり、光信号Ｅ４を出力結合するために、図１６Ａのコヒーレント感知ユニット１６００のサブカプラー１６０２に接続する追加の導波路１４３２を有する。
【0202】
図１６Ｂでは、例示の目的で、出力光信号Ｅ１０および入力光信号Ｅ２３が、異なる空間位置でサブカプラー１６０１と結合するように描かれている。一般に、出力光信号Ｅ１０および入力光信号Ｅ２３は、いくつかの実施形態によれば同じ空間位置で、または他の実施形態によれば異なる空間位置でサブカプラー１６０１と結合することができる。同様に、出力光信号Ｅ４０および入力光信号Ｅ３３は、いくつかの実施形態によれば同じ空間位置で、または他の実施形態によれば異なる空間位置でサブカプラー１６０２と結合することができる。
【0203】
図１６Ｃは、本開示の別の実施形態による光信号を結合するための４つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器１６００とともに使用するための偏光変換分離構成１６１０を示す側面図である。図１６Ｄは、光信号を内部結合するために使用される図１６Ｃに示される構成１６１０を示す側面図である。例示の目的で、図１６Ｅは、図１６Ｃにおける光信号の偏光状態を示す上面図である。一方、図１６Ｆは、図１６Ｄにおける光信号の偏光状態を示す上面図である。偏光変換分離構成１６１０は、図１０Ｃおよび図１０Ｄに示される偏光変換分離構成１０１０と本質的に同じである。光信号Ｅ１およびＥ４から生じる出力光信号、および光信号Ｅ２およびＥ３を生じる入力光信号の光路および偏光状態の実施形態を、図１６Ｃ、図１６Ｄ、図１６Ｅ、および図１６Ｆに示す。簡単にするために、導波路１４２１、１４２２、１４３２、および１４３３は、図１６Ｃおよび図１６Ｄでは明示的に示されていない。
【0204】
図１６Ｂ、図１６Ｃ、および図１６Ｄでは、例示の目的で、光信号は、ｚ方向に沿って伝播するように示されており、結合器１６００、偏光依存性ビームセパレータ１６４１、ファラデー回転子１６５１、および偏光回転子１６５２に垂直に入射する。一般に、光信号の伝播方向は、これらの構成要素に対して垂直入射であってもよく、垂直入射以外の入射角であってもよい。
【0205】
図１７Ａは、本開示のさらなる実施形態による４つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器１７００（本明細書では簡単にするために「結合器１７００」と呼ぶ）を示す斜視図である。図１７Ａはさらに、サブカプラー１７０１、１７０２、および１７０３と結合する偏光された出力および入力光信号Ｅ０１、Ｅ０４、Ｅ２４、およびＥ３４を示し、図１７Ａの破線で示されるように、３つのサブカプラー１７０１、１７０２、および１７０３を備えている。いくつかの実施形態によれば、サブカプラー１７０１は、図１Ｂに示されるような偏光多様化自由空間対導波路結合器１０１、または図２に示されるような偏光多様化自由空間対導波路結合器２００のいずれかによって実現されるとよい。一方、サブカプラー１７０２および１７０３のそれぞれは、単一の導波路に結合される格子結合器を含むがこれに限定されない自由空間対導波路結合器によって実現されてもよい。他の実施形態によれば、サブカプラー１７０２および１７０３のそれぞれは、偏光独立自由空間対導波路結合器によって実現されるとよい。結合器１７００は、図１１Ａに示す結合器１１００の変形実施形態であり、導波路１４２１からの光信号Ｅ１の出力結合に加えて、光信号Ｅ４を出力結合するために、図１７Ａのコヒーレント感知ユニット１７００のサブカプラー１７０１に接続する追加の導波路１４３２を備える。
【0206】
図１７Ａでは、例示の目的で、出力光信号Ｅ０１および出力光信号Ｅ０４が、異なる空間位置でサブカプラー１７０１と結合するように描かれている。いくつかの実施形態によれば、出力光信号Ｅ０１および出力光信号Ｅ０４は、２つの出力光信号の空間的重なりを最大限にするために、同じ空間位置でサブカプラー１７０１と結合することができる。他の実施形態によれば、出力光信号Ｅ０１および出力光信号Ｅ０４は、異なる空間位置でサブカプラー１７０１と結合することができる。
【0207】
図１７Ｂは、本開示のさらなる実施形態による、光信号を結合するための４つの導波路偏光多様化自由空間対導波路結合器１７００とともに使用するための偏光変換分離構成１７１０を示す側面図である。図１７Ｃは、光信号を内部結合するために使用される、図１７Ｂに示される構成１７１０を示す側面図である。例示の目的で、図１７Ｄは、図１７Ｂの光信号の偏光状態を示す上面図である。一方、図１７Ｅは、図１７Ｃにおける光信号の偏光状態を示す上面図である。偏光変換分離構成１７１０は、図１１Ｂおよび図１１Ｃに示される偏光変換分離構成１１１０と本質的に同じである。光信号Ｅ１およびＥ４から生じる出力光信号、および光信号Ｅ２およびＥ３を生じる入力光信号の光路および偏光状態の実施形態を、図１７Ｂ、図１７Ｃ、図１７Ｄ、および図１７Ｅに示す。結合器１７００とともに偏光変換分離構成１７１０を使用することにより、次のことが保証されるとよい。光信号Ｅ１３およびＥ４３からのコヒーレント結合光信号の偏光は、光信号Ｅ０１およびＥ０４からのコヒーレント結合光信号の偏光と本質的に同じであるために、信号Ｅ０１、Ｅ１０、Ｅ１１、Ｅ１２、およびＥ１３の光路長は、信号Ｅ０４、Ｅ４０、Ｅ４１、Ｅ４２、およびＥ４３の光路長と本質的に同じである。簡単にするために、導波管１４２１、１４２２、１４３２、および１４３３は、図１７Ｂおよび図１７Ｃでは明示的に示されていない。
【0208】
図１７Ａ、図１７Ｂ、および図１７Ｃでは、例示の目的で、光信号は、ｚ方向に沿って伝播し、結合器１７００、偏光依存ビームセパレータ１７４１および１７４２、ファラデー回転子１７５１、および偏光回転子１７５２に垂直に入射するように描かれている。一般に、光信号の伝播方向は、これらの構成要素に対して垂直入射であってもよく、垂直入射以外の入射角であってもよい。
【0209】
図１８Ａは、本開示の一実施形態によるコヒーレント光センサー１８００を示す平面図である。コヒーレント光センサー１８００は、コヒーレント感知アレイ１８１０と、ＰＩＣチップ上に実装された光ルーティング回路１８２０および１８３０とを備える。
【0210】
図１８Ａでは、光ルーティング回路１８２０は、ＬＯ ＥＬＯをコヒーレント感知アレイ１８１０にルーティングするために使用される。例えば、図１８Ａの光ルーティング回路１８２０は、ＬＯ ＥＬＯをコヒーレント感知アレイ１８１０の異なる行にルーティングする。光ルーティング回路１８２０は光導波路のネットワークを備え、ＬＯ ＥＬＯの流れはネットワーク内の複数の光スイッチによって制御される。一例として、図１８Ａでは、光ルーティング回路１８２０は、光スイッチ１８２１、１８２２、および１８２３を備え、これらは、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）ベースの光スイッチ、またはＭＥＭＳベースの光スイッチであってもよいが、これらに限定されない。
【0211】
光ルーティング回路１８２０の他の実装も可能であることが理解される。例えば、図１８Ａの光ルーティング回路１８２０は二分木の形態であってもよい。光スイッチは、ＬＯ ＥＬＯを入力からスイッチの１つ以上の出力ポートに送る。いくつかの実施形態によれば、図１８Ａの光スイッチ１８２１は、導波路１８２４内のＬＯ ＥＬＯを導波路１８２５および１８２６の一方または両方に向けることができる。
【0212】
光ルーティング回路１８３０は、光源信号ＥＳをコヒーレント感知アレイ１８１０にルーティングするために使用される。いくつかの実施形態によれば、光ルーティング回路１８３０は、光ルーティング回路１８２０と同様の構造を示してもよい。一実施形態では、光ルーティング回路１８３０は、光スイッチ１８３１、１８３２、および１８３３を備えるバイナリツリーの形態であってもよい。他の実施形態によれば、光ルーティング回路１８３０は、光ルーティング回路１８２０とは異なる構造を示してもよい。
【0213】
図１８Ａでは、コヒーレント感知アレイ１８１０は、コヒーレント感知ユニット１８０１のアレイを備える。一実施形態では、コヒーレント感知アレイ１８１０は、４×６の長方形フォーマット（すなわち、４行６列）に配置された２４個のコヒーレント感知ユニット１８０１を備える。図１８Ｂは、本開示の一実施形態によるコヒーレント感知アレイ１８１０の６つのコヒーレント感知ユニットの行を示す。
【0214】
図１８Ａでは、コヒーレント感知アレイ１８１０の各コヒーレント感知ユニット１８０１は、コヒーレント感知ユニットの光入力ポートとして機能する２つの導波路に接続されている。いくつかの実施形態によれば、コヒーレント感知ユニット１８０１は、図１Ａに示されるようなコヒーレント感知ユニット１００であってもよい。他の実施形態によれば、コヒーレント感知ユニット１８０１は、図７Ａに示されるようなコヒーレント感知ユニット７００であってもよい。さらに他の実施形態によれば、コヒーレント感知ユニット１８０１は、図８に示すようなコヒーレント感知ユニット８００であってもよい。さらなる実施形態によれば、コヒーレント感知ユニット１８０１は、図９に示されるようなコヒーレント感知ユニット９００であってもよい。
【0215】
図１８Ａでは、コヒーレント感知ユニット１８０１に接続された２つの導波路を使用して、光源信号ＥＳおよびＬＯ ＥＬＯをその感知ユニット１８０１に導くことができる。例えば、図１８Ｂを参照すると、導波路１８４３は、光源信号ＥＳを、図１８Ｂの導波路１８４３および１８４４に接続されたコヒーレント感知ユニット１８０１に導くために使用されるとよい。一方、導波管１８４４は、ＬＯ ＥＬＯを同じコヒーレント感知ユニットに導くために使用されるとよい。分割カプラーは、光源信号ＥＳおよびＬＯ ＥＬＯを異なるコヒーレント感知ユニット１８０１に分配するために、コヒーレント感知アレイ１８１０内で使用されるとよい。図１８Ｂに示すように、分割カプラー１８１１、１８１２、１８１３、１８１４、および１８１５を使用して、光源信号ＥＳを６つのコヒーレント感知ユニット１８０１に分配することができる。分割カプラー１８１１、１８１２、１８１３、１８１４、および１８１５は、同じまたは異なる分割比を有してもよい。光源信号ＥＳを６つのコヒーレント感知ユニット１８０１に均等に分配するいくつかの実施形態によれば、分割カプラー１８１１は５：１の分割比を有し、分割カプラー１８１２は４：１の分割比を有し、分割カプラー１８１３は３：１の分割比を有し、分割カプラー１８１４は２：１の分割比を有し、分割カプラー１８１５は１：１の分割比を有するとよい。同様に、図１８Ｂの実施形態によれば、分割カプラー１８５１、１８５２、１８５３、１８５４、および１８５５を使用して、ＬＯ ＥＬＯを６つのコヒーレント感知ユニット１８０１に分配することができる。ここで、分割カプラー１８５１、１８５２、１８５３、１８５４、および１８５５は、ＬＯ ＥＬＯを６つのコヒーレント感知ユニット１８０１に均等に分配してもよいし、均等に分配しなくてもよい分割カプラー１８１１、１８１２、１８１３、１８１４、および１８１５と同様である。
【0216】
図１８Ａのコヒーレント光センサー１８００は、図には明示的に示されていないレーザー源、電気制御回路、および電気読み出し回路を備えることもできる。
【0217】
図１９Ａは、本開示の別の実施形態によるコヒーレント光センサー１９００を示す平面図である。コヒーレント光センサー１９００は、Ｈツリーのトポロジーにおける光ルーティング回路を介して光源信号ＥＳに結合されるコヒーレント感知ユニット１９０１のアレイを備える。例えば、図１９Ａに示されるようなコヒーレント光センサー１９００は、８つのコヒーレント感知ユニット１９０１を有する３レベルのＨツリーとして現れる。コヒーレント光センサー１９００内のＨツリー光ルーティング回路は、複数の光スイッチ１９０２に結合された導波路のネットワークによって構築される。図１９Ａの光スイッチ１９０２は、図１８Ａのコヒーレント光センサー１８００の光スイッチ１８２１、１８２２、１８２３、１８３１、１８３２、および１８３３と同様であるとよい。
【0218】
図１９Ａに示されるように、コヒーレント感知ユニット１９０１のそれぞれは、光源信号ＥＳをコヒーレント感知ユニットに供給する単一の導波路に結合されるとよい。光源信号ＥＳは、ターゲット照明用の光源信号と、コヒーレント感知ユニット１９０１におけるヘテロダイン検波用のＬＯの両方として使用されるとよい。いくつかの実施形態によれば、コヒーレント感知ユニット１９０１のそれぞれは、図７Ｂに示されるようなコヒーレント感知ユニット７１０であってもよい。他の実施形態によれば、コヒーレント感知ユニット１９０１のそれぞれは、図１Ａに示されるようなコヒーレント感知ユニット１００、図７Ａに示されるようなコヒーレント感知ユニット７００、図８に示されるようなコヒーレント感知ユニット８００、または図９に示されるようなコヒーレント感知ユニット９００であってもよい。ここで、分割カプラーを使用して、各コヒーレント感知ユニット１９０１に供給される光源信号ＥＳを、光源信号として使用される光源信号ＥＳの一部と、コヒーレント感知ユニットのためにＬＯ ＥＬＯとして使用されるＥＳの一部とに分割することができる。さらなる実施形態によれば、コヒーレント感知ユニット１９０１のそれぞれは、図１９Ｂに示されるようなコヒーレント感知ユニットグループ１９１０であってもよい。図１９Ａのコヒーレント光センサー１９００は、図には明示的に示されていないレーザー源、電気制御回路、および電気読み出し回路を備えることもできる。
【0219】
図１９Ｂは、本開示の一実施形態によるコヒーレント感知ユニットグループ１９１０を示す平面図である。一実施形態では、コヒーレント感知ユニットグループ１９１０は、Ｈツリートポロジに配置された複数のコヒーレント感知ユニット１９１１を備える。例えば、図１９Ｂのコヒーレント光センサー１９１０は、４つのコヒーレント感知ユニット１９１１を有する２レベルのＨツリーとして現れる。図１９Ｂでは、構成要素１９１３は、光源信号ＥＳの一部をコヒーレント感知ユニットグループ１９１０のコヒーレント感知ユニット１９１１のそれぞれに供給するように光源信号ＥＳを分割するために使用されるとよい分割カプラーである。いくつかの実施形態によれば、コヒーレント感知ユニットグループ１９１０のすべてのコヒーレント感知ユニット１９１１にソース信号を均等に分配するために、分割カプラー１９１３の分割比は５０／５０であってもよい。図１９Ｂでは、構成要素１９１２は、各コヒーレント感知ユニット１９１１に供給される光源信号ＥＳを、光源信号としての光源信号ＥＳの一部と、コヒーレント感知ユニットのＬＯとしての光源信号ＥＳの一部とに分割するために使用されるとよい分割カプラーである。分割カプラー１９１２の分割比は、５０／５０であってもよく、そうでなくてもよい。
【0220】
図１９Ｂでは、コヒーレント感知ユニット１９１１のそれぞれは、図１Ａに示されるようなコヒーレント感知ユニット１００、図７Ａに示されるようなコヒーレント感知ユニット７００、図８に示されるようなコヒーレント感知ユニット８００、または図９に示されるようなコヒーレント感知ユニット９００であってもよい。
【0221】
図２０Ａは、本開示のさらなる実施形態によるコヒーレント光センサー２０００を示す平面図である。コヒーレント光センサー２０００は、感知領域２０１０と、ＰＩＣチップ上に実装された光ルーティング回路２０２０および２０３０とを備える。いくつかの実施形態によれば、感知領域２０１０は、複数のコヒーレント感知ユニットグループ２００１を備える。各コヒーレント感知ユニットグループ２００１は、ターゲット照明用の出力光信号を発する複数のコヒーレント感知ユニットを備え、出力光信号の偏光は調整可能である。
【0222】
図２０Ａでは、光ルーティング回路２０２０は、局部発振器ＥＬＯを感知領域２０１０内のコヒーレント感知ユニットグループ２００１にルーティングするために使用されるとよい。いくつかの実施形態によれば、光ルーティング回路２０２０は、コヒーレント光センサー１８００の光ルーティング回路１８２０と同様であるとよい。図２０Ａでは、光ルーティング回路２０３０は、光源光ＥＳを感知領域２０１０内のコヒーレント感知ユニットグループ２００１にルーティングするために使用されるとよい。いくつかの実施形態によれば、光ルーティング回路２０３０は、コヒーレント光センサー１８００の光ルーティング回路１８３０と同様であるとよい。
【0223】
図２０Ｂは、本開示の別の実施形態によるコヒーレント感知ユニットグループ２００１を示す平面図である。コヒーレント感知ユニットグループ２００１は、ターゲット照明用に調整可能な偏光を有する出力光信号を放射する複数のコヒーレント感知ユニット２００２を備える。例示の目的で、図２０Ｂではコヒーレント感知ユニットグループ２００１が４つのコヒーレント感知ユニット２００２を含むように描かれている。各コヒーレント感知ユニット２００２は、ＬＯ ＥＬＯを内部結合するための１つの入力導波路と、光源光を内部結合するための２つの入力導波路を備える。ここで、２つの導波路における光源光の振幅および相対位相は、コヒーレント感知ユニット２００２から放射される出力光信号の偏光状態を決定する。いくつかの実施形態によれば、コヒーレント感知ユニット２００２は、図１４に図示されているようにコヒーレント感知ユニット１４００によって実現されるとよい。
【0224】
図２０Ｂに示されるように、各コヒーレント感知ユニットグループ２００１は、ＬＯ ＥＬＯをコヒーレント感知ユニットグループ２００１のコヒーレント感知ユニット２００２のそれぞれに分配するために、複数の分割カプラー２０５１、２０５２、および２０５３を備える。いくつかの実施形態によれば、分割カプラー２０５１、２０５２、および２０５３は、コヒーレント感知ユニットグループ２００１の各コヒーレント感知ユニット２００２にＬＯ ＥＬＯを均等に分配してもよいし、分配しなくてもよい分割カプラー１８５１、１８５２、１８５３、１８５４、および１８５５と同様であってもよい。
【0225】
図２０Ｂに示すように、各コヒーレント感知ユニットグループ２００１は、光源光ＥＳを２つの部分に分割する光スイッチ２０２１を備えることができる。次いで、光源光ＥＳの２つの部分は、分割カプラーを介して各コヒーレント感知ユニット２００２に分配されるとよい。例えば、光源光ＥＳの一部は、分割カプラー２０１１、２０１２、および２０１３を介してコヒーレント感知ユニット２００２に分配されるとよい。いくつかの実施形態によれば、分割カプラー２０１１、２０１２、および２０１３は、コヒーレント感知ユニットグループ２００１の各コヒーレント感知ユニット２００２に光源光ＥＳを均等に分配してもよくしなくてもよい分割カプラー１８１１、１８１２、１８１３、１８１４、および１８１５と同様であってもよい。同様に、光源光ＥＳの一部は、分割カプラー２０１１、２０１２、および２０１３と同様の分割カプラー２０１４、２０１５、および２０１６を介して各コヒーレント感知ユニット２００２に分配されるとよい。いくつかの実施形態によれば、コヒーレント感知ユニットグループ２００１は、コンパクトなＰＩＣレイアウトにおいて最小の損失およびクロストークで光信号が互いに交差できるようにする導波路交差２０２２を備えるとよい。
【0226】
図２０Ｃは、本開示の一実施形態による、マッハツェンダー干渉計ベースの光スイッチ２０２１を示す平面図である。マッハツェンダー干渉計である光スイッチ２０２１は、光スイッチ２０２１の出力部分を制御する位相器２０３１を含む。いくつかの実施形態によれば、位相器２０３１は、電気光学位相器または熱光学位相器であってもよい。
【0227】
図２０Ａのコヒーレント光センサー２０００は、明示的に示されていないレーザー源、電気制御回路、および電気読み出し回路を備えてもよい。また、図２０Ｂのコヒーレント感知ユニットグループ２００１は、明示的に示されていない電気制御回路および電気読み出し回路を備えるとよい。
【0228】
図２１Ａは、本開示の一実施形態による光コヒーレントイメージャ２１００を示す側面図である。光コヒーレントイメージャ２１００は、コヒーレント光センサー２１０１、偏光変換分離アセンブリ２１０２、および結像光学系２１０３を備える。また、光コヒーレントイメージャ２１００は簡略化のために図２１Ａには明示的に示されていないレーザー源、電子コントローラ、電子インターフェース、およびデジタル信号プロセッサのうちの任意の１つまたは複数を含むが、これらに限定されない他の構成要素を含んでもよい。
【0229】
図２１Ａのコヒーレント光センサー２１０１は、本開示の複数のコヒーレント感知ユニットを備えるセンサーである。いくつかの実施形態によれば、コヒーレント光センサー２１０１は、それぞれ図１８Ａ、図１９Ａ、および図２０Ａに示されるコヒーレント光センサー１８００、１９００、および２０００のうちの１つであるとよい。出力光信号は、ターゲット照明のためにコヒーレント光センサー２１０１から発せられる。コヒーレント光センサー２１０１の異なるコヒーレント感知ユニットから結像光学系２１０３を介して放射される出力光信号は、異なる視野位置の照明ビームを生じさせることができ、その結果、各視野位置は、コヒーレント光センサーのコヒーレント感知ユニットに対応する。図２１Ａの結像光学系２１０３の詳細は、例示のみを目的として示されている。他の光学セットアップが結像光学系２１０３に使用されてもよい。コヒーレント光センサー２１０１で使用されるコヒーレント感知ユニットの特定の設計に応じて、いくつかの実施形態によれば、偏光変換分離アセンブリ２１０２は、図４Ｃ、図５Ａ、図５Ｃ、図６Ａ、図６Ｃ、図１０Ｃ、図１１Ｂ、図１２Ａ、図１３Ｃ、図１５Ｃ、図１６Ｃ、図１７Ｂに示される構成のうちの１つであってもよい。偏光変換分離アセンブリ２１０２は、ターゲット照明のためにコヒーレント光センサー２１０１から放射される出力光信号、およびコヒーレント光センサー２１０１によって受信される入力光信号（すなわち、ターゲット信号）が共通の光路に沿って伝播できるようにするために使用されるとよい。ここで、共通の光路はアセンブリ２１０２とターゲット２１０４との間にある。
【0230】
図２１Ａでは、光線２１７１は、光コヒーレントイメージャ２１００の視野位置の光路例を示し、光線２１７２は、光コヒーレントイメージャ２１００の別の視野位置の光路例を示す。結像光学系２１０３は、少なくとも１つの像面を有することができる。偏光変換分離アセンブリ２１０２は、結像光学系２１０３の像面に近接した位置に配置され得る。例えば、図２１Ａでは、偏光変換分離アセンブリ２１０２は、結像光学系２１０３の最終像面２１６１に配置されるコヒーレント光センサー２１０１に近接した位置に配置される。
【0231】
図２１Ｂは、最終像面２１６１付近における図２１Ａのイメージャ２１００を示す拡大図である。例示の目的で、図２１Ｂでは、偏光変換分離アセンブリ２１０２は、図６Ｃに示される偏光変換分離構成として示されてもよい。図２１Ｂに示されるように、光コヒーレントイメージャ２１００の視野位置のそれぞれについて、出力光信号に関して共通の光路を共有するターゲットからの入力光信号は、偏光依存ビームセパレータ４０１によって最終像面上で空間的に分離されるとよい。図２１Ｂでは、空間分離２１９８は、偏光依存ビームセパレータ４０１によってもたらされる入力光線２１７１と出力光線２１７１の空間分離である。空間分離２１９９は、偏光依存ビームセパレータ４０１によってもたらされる入力光線２１７２と出力光線２１７２の空間分離である。いくつかの実施形態によれば、結像光学系２１０３は、偏光依存ビームセパレータ４０１による空間分離が光コヒーレントイメージャ２１００の視野全体にわたって均一になることを可能にする像空間テレセントリック性を有し得る。したがって、光線２１７１の空間分離２１９８は、光線２１７２の空間分離２１９９と同様であるとよい。さらに、光線２１７１の角度範囲２１８８も、光線２１７２の角度範囲２１８９と同様であるとよい。このような状況では、コヒーレント光センサー２１０１内のコヒーレント感知ユニットの偏光多様化自由空間対導波路結合器は、共通の入射角（例えば垂直入射）共通の角度範囲、および該当する場合はサブカプラー間の共通の間隔に従って光信号と最適に結合するように設計されるとよい。結像光学系２１０３が像空間テレセントリック性を持たない他の実施形態によれば、コヒーレント光センサー２１０１内のコヒーレント感知ユニットの偏光多様化自由空間対導波路結合器のそれぞれは、偏光変換分離アセンブリ２１０２および結像光学系２１０３の仕様に従って光信号と最適に結合するように個別に設計されるとよい。
【0232】
図２１Ｃは、図２１Ｂの光コヒーレントイメージャの視野にわたるコヒーレント光センサー２１０１上の偏光依存ビームセパレータ４０１に関する通常光線（ｏ線）および異常光線（ｅ線）の例を示す偏光マップである。図２１Ｃにおいて、偏光２１９１はｏ線偏光の例を示し、偏光２１９２はｅ線偏光の例を示す。一例として、図２１Ｂのｘ-ｚ平面上にある光軸４９８の向きによれば、ｏ線偏光は、ｙ方向に沿った主要な成分を有する直線偏光である。一方、ｅ線偏光は、ｘ方向に沿った主要な成分を持つ直線偏光である。結像光学系２１０３が正確に像空間テレセントリックであるいくつかの実施形態によれば、ｏ線偏光とｅ線偏光の両方が光コヒーレントイメージャの視野にわたって不均一であってもよい。図２１Ｃに示す実施形態などの他の実施形態によれば、結像光学系２１０３が正確に像空間テレセントリックではない場合、ｏ線およびｅ線の偏光は均一性から逸脱する可能性がある。いくつかの実施形態によれば、コヒーレント光センサー２１０１内のコヒーレント感知ユニットの偏光多様化自由空間対導波路結合器は、不均一性が無視されるように設計されてもよい。他の実施形態によれば、コヒーレント光センサー２１０１内のコヒーレント感知ユニットの偏光多様化自由空間対導波路結合器のそれぞれは、結像光学系２１０３の視野にわたって、ｏ線およびｅ線の偏光の変化に従って光信号と最適に結合するように個別に設計されるとよい。
【0233】
図２２Ａは、本開示の別の実施形態による光コヒーレントイメージャ２２００を示す側面図である。光コヒーレントイメージャ２２００は、コヒーレント光センサー２２０１、結像光学系２２０３、および結像光学系２２０３の光学部品とともに配置された部品を備えた偏光変換分離アセンブリを備える。一例として、偏光変換分離アセンブリは、偏光依存ビームセパレータ２２４１および２２４２、ファラデー回転子２２５１、偏光回転子２２５２、および１／４波長板２２６１を備える。この偏光変換分離アセンブリは、構成１２１０における偏光依存ビームセパレータ１２４１によってもたらされる横方向変位の代わりに角度変位をもたらす偏光依存ビームセパレータ２２４１の使用を除いて、図１２Ａおよび図１２Ｂの偏光変換分離構成１２１０と同様である。いくつかの実施形態によれば、偏光依存ビームセパレータ２２４１は複屈折ウェッジであってもよい。図２２Ａでは、光線２２７１は、光コヒーレントイメージャ２２００の視野位置の光路例を示し、光線２２７２は、光コヒーレントイメージャ２２００の別の視野位置の光路例を示す。
【0234】
図２２Ｂは、本開示の実施形態による、角度変位をもたらす偏光依存ビームセパレータ２２４１を通って伝播する光線と、横変位をもたらす偏光依存ビームセパレータ２２４２を通って伝播する光線を示す側面図である。図２２Ｂを参照すると、偏光依存ビームセパレータ２２４２は、入力光線に横方向の変位を生じさせることができ、その横方向の変位は光線の偏光に依存する。例えば、図２２Ｂでは、光線が偏光依存ビームセパレータ２２４２を通過するときに、光線のｘ偏光成分とｙ偏光成分は、異なる変位で横方向に変位される。対照的に、偏光依存ビームセパレータ２２４１は、入力光線に角変位を生じさせ、その角変位は光線の偏光に依存する。例えば、図２２Ｂでは、光線が偏光依存ビームセパレータ２２４１を通過するときに、光線のｘ偏光成分とｙ偏光成分は異なる角度で角変位する。
【0235】
図２２Ａに戻って参照すると、偏光依存性ビームセパレータ２２４２は、結像光学系２２０３の像面に近接した位置に配置され、一方、偏光依存性ビームセパレータ２２４１は、結像光学系２２０３の焦点面に近接した位置に配置されている。焦点面上の偏光依存ビームセパレータ２２４１による角度変位は、像面上で横方向変位を効果的に生じさせる可能性がある。偏光依存性ビームセパレータ２２４１の使用は、結像光学系２２０３内の偏光依存ビームセパレータ２２４１および２２４２、ファラデー回転子２２５１、偏光回転子２２５２、および四分の一波長板２２６１を含むが、これらに限定されない光学コンポーネントを配置するための様々な場所でのより大きな柔軟性を可能にするという利点を有するとよい。
【0236】
図２２Ａに示すように、ファラデー回転子２２５１、偏光回転子２２５２、および四分の一波長板２２６１は、光線の入射角が比較的小さい（すなわち、垂直入射に近い）結像光学系２２０３内の位置に配置されるとよい。いくつかの実施形態によれば、いくつかの偏光依存コンポーネントは、光コヒーレントイメージングの特定の用途に関して、他のコンポーネントよりも大きな性能許容差を有するとよい。例えば、光線の入射角に対して耐性のあるファラデー回転子２２５１は、偏光回転子２２５２と偏光依存性ビームセパレータ２２４２との間の任意の位置に配置されるとよい。別の例として、四分の一波長板２２６１は、異なる視野位置における光線の入射角の変化がより大きい位置に配置されてもよい。４分の１波長板２２６１は、法線入射における直線偏光の出力光信号を円偏光光信号に変換し、垂直入射以外の入射角における直線偏光の出力光信号を楕円偏光光信号に変換することができる。したがって、異なる視野位置における四分の一波長板２２６１上の入射角の変化の結果は、本質的に、ターゲットシーンの異なる位置の照明に対して異なる楕円偏光をもたらす可能性がある。これは、光コヒーレントイメージングの関連アプリケーションにとって重大な問題を引き起こすことはないかもしれない。さらに、図２０Ａに示されるコヒーレント光センサー２０００などのコヒーレント光センサー２２０１のいくつかの実施形態は、動的偏光調整を可能にすることができ、これにより、ターゲットシーンの異なる位置の照明に対する異なる楕円偏光の問題を軽減することができる。
【0237】
図２２Ａでは、偏光変換・分離アセンブリの構成要素は、結像光学系２２０３の光学構成要素とともに個別に配置される。いくつかの実施形態によれば、偏光変換分離アセンブリの構成要素のうちの１つまたは複数は、結像光学系２２０３の光学構成要素とともに集合的に配置されるとよい。
【0238】
図２３は、本開示の一実施形態による、光信号を送受信するための共有パスを可能にする偏光多様化を使用する光コヒーレントイメージングの方法のフローチャートを示している。
【0239】
ステップ２３０１では、光源光は光源から生成される。
【0240】
ステップ２３０３において、光源光は、導波路回路を通って、光コヒーレントイメージャのコヒーレント光センサー内の１つまたは複数の偏光多様化自由空間対導波路結合器に導かれる。いくつかの実施形態によれば、導波路回路を通る光源光の導波は、制御システムを使用して導波路回路内の電気光学スイッチまたは熱光学スイッチを制御することによって達成されとよい。より具体的には、各ターゲットシーン位置は光コヒーレントイメージャの視野位置に対応し、それは光コヒーレントイメージャのコヒーレント光センサー内の偏光多様化自由空間対導波路結合器に対応する。
【0241】
ステップ２３０５では、光源光が導かれる選択された偏光多様化自由空間対導波路結合器（ここでは簡単にするために「カプラー」と呼ぶ）のそれぞれについて、光源光はカプラーから自由空間へ出力結合され、第１の偏光を有する出力光を生じさせる。ここで、自由空間とは、真空、空気、カプラーの表面上の領域、またはその中を伝播する光信号の波長よりもはるかに長い長さ（例えば、少なくとも１０倍）スケールを持つ境界を持つ任意の均質な媒体を指す。いくつかの実施形態によれば、偏光多様化自由空間対導波路結合器は、図１Ｂに関して図示および説明された結合器１０１によって実現されてもよく、図２に関して図示され説明された結合器２００によって実現されてもよく、図３に関して図示され説明された結合器３００よって実現されてもよく、図１０Ａに関して図示され説明された結合器１０００よって実現されてもよく、図１１Ａに関して図示され説明された結合器１１００よって実現されてもよく、図１３Ａに関して図示され説明された結合器１３００よって実現されてもよく、図１５Ａに関して図示され説明された結合器１５００よって実現されてもよく、図１６Ａに関して図示され説明された結合器１６００よって実現されてもよく、または図１７Ａに関して図示され説明された結合器１７００よって実現されてもよい。
【0242】
ステップ２３０７において、選択された偏光多様化自由空間対導波路結合器のそれぞれによって放射される出力光について、出力光の第１の偏光は、偏光変換構造によって第２の偏光に変換されるとよい。第２の偏光は、第１の偏光と同じであってもよく異なっていてもよい。第２の偏光は、直線偏光、円偏光、楕円偏光のいずれであってもよい。いくつかの実施形態によれば、偏光変換は、ファラデー回転子、偏光回転子、および１／４波長板を含むが、これらに限定されない光学部品の１つまたは組み合わせによって実現されてもよい。
【0243】
ステップ２３０７において、いくつかの実施形態によれば、さらに出力光の光路は、横方向もしくは角度方向に変位されるとよく、または横方向および角度方向の両方に変位されるとよい。この変位は、偏光依存性ビームセパレータなどの光路変位コンポーネントのうちの少なくとも１つによって実現されるとよいが、これに限定されない。いくつかの実施形態によれば、偏光変換および光路変位の動作は、ファラデー回転子、偏光回転子、１／４波長板、および偏光依存性ビームセパレータを含むが、これらに限定されない光学部品の組み合わせによって実現されてもよい。いくつかの実施形態によれば、そのような動作は、限定されないが、図４Ｃ、図５Ａ、図５Ｃ、図６Ａ、図６Ｃ、図１０Ｃ、図１１Ｂ、図１２Ａ、図１３Ｃ、図１５Ｃ、図１６Ｃ、および図１７Ｂに示される構成のうちの少なくとも１つによって実現されるとよい。いくつかの実施形態によれば、そのような動作のための構成は、結像光学系の他の光学部品とともに配置されてもよいし、配置されなくてもよい。例えば、図２２Ａを参照すると、光路変位を伴う偏光変換構成は、結像光学系２２０３の光学部品（レンズ）とともに配置される部品２２４１、２２４２、２２５１、２２５２、および２２６１を含む。
【0244】
ステップ２３０９では、変換された出力光は、ステップ２３０３に従って選択された偏光多様化自由空間対導波路結合器に対応する光コヒーレントイメージャの視野位置に位置する１つまたは複数のターゲットに向けられる。いくつかの実施形態によれば、変換された出力光は、選択された結合器とターゲットとの間に配置された追加の結像光学系を用いてターゲットに向けることができる。
【0245】
ステップ２３１１では、ターゲットは、それらを照明する変換された出力光を反射または散乱するとよい。ターゲットからの反射光または散乱光は、ステップ２３０９で説明した選択された偏光多様化自由空間対導波路結合器に対応する撮像装置の視野位置で光コヒーレントイメージャによって受信されとよい。いくつかの実施形態によれば、反射光または散乱光は、選択された結合器とターゲットとの間に配置された追加の結像光学系で受信されてもよい。いくつかの実施形態によれば、光学結像システムは、ステップ２３０９の結像光学システムと同じであってもよい。
【0246】
ステップ２３１３では、ターゲットから反射または散乱された受信光は、ステップ２３０７で説明したように同じ偏光変換構造によって変換されるとよい。ステップ２３１１で説明した撮像装置の視野位置のそれぞれにおいて、受信光は、変換された出力光の第２の偏光と同じである第３の偏光を有する成分と、第３の偏光成分と直交する第４の偏光を有する成分の一方または両方を含むとよい。視野位置のそれぞれにおいて、偏光変換構成は、受信光の第３の偏光を、その位置における出力光の第１の偏光に直交する第５の偏光に変換することができる。同様に、偏光変換構成は、受信光の第４の偏光を、変換された受信光の第５の偏光に直交する第６の偏光に変換することができる。いくつかの実施形態によれば、視野位置のそれぞれにおいて、受信光の少なくとも１つの偏光成分の光路は、ステップ２３０７で説明したのと同じ光路変位成分によってさらに変位されてもよい。いくつかの実施形態によれば、変位される受信光の偏光成分は、第３および第４の偏光の一方または両方であってもよい。
【0247】
ステップ２３１５において、変換された受信光は、１つ以上の偏光多様化自由空間対導波路結合器を使用して、自由空間から内部結合導波路に結合されるとよい。いくつかの実施形態によれば、これらの偏光多様化自由空間対導波路結合器は、ステップ２３０５において出力偏光を放射するために使用される偏光多様化自由空間対導波路結合器の同じセットであってもよい。偏光多様化自由空間導波路結合器のそれぞれについて、偏光多様化自由空間対導波路結合器を介して変換された受信光の一部またはすべてを受け取る内部結合導波路の少なくとも１つは、ステップ２３０３に従って光源光をカプラーに導く導波路(つまり、出力結合導波路)とは異なる。
【0248】
一方で、より具体的には、いくつかの実施形態によれば、偏光多様化自由空間対導波路結合器は、結合器から放出される出力光の第１の偏光に直交する、変換された受信光の第５の偏光を、出力結合導波路とは異なる少なくとも１つの導波路に入力結合することができる。これは、変換された受信光の第５の偏光を出力結合導波路とは異なる入力結合導波路に結合する偏光多様化自由空間対導波路結合器の設計によって達成されるとよい。いくつかの実施形態によれば、これは、受信光の第３の偏光の光路変位によって達成されるとよい。その結果、変換された受信光の第５の偏光は、出力光が結合器から放射される空間的位置とは異なる空間的位置にある結合器に到達することができる。
【0249】
一方、いくつかの実施形態によれば、偏光多様化自由空間対導波路結合器は、変換された受信光の第５の偏光と直交し、変換された受信光の第６の偏光を、出力結合導波路とは異なる少なくとも１つの導波路に入力結合するとよい。これは、受信光の第４の偏光の光路変位によって達成されてもよい。その結果、変換された受信光の第６の偏光は、出力光が結合器から放射される空間的位置とは異なる空間的位置にある結合器に到達してもよい。いくつかの実施形態によれば、受信光の第３および第４の偏光の光路変位は、ステップ２３１３で説明したのと同じ光路変位コンポーネントを通じて実現することができる。
【0250】
ステップ２３１７において、内部結合導波路内で内部結合された受信光は、変換された受信光を内部結合する偏光多様化自由空間対導波路結合器に近接して配置された検出器によって検出されるとよい。その検出器は、ヘテロダイン検出装置に供給される局部発振器光を用いてヘテロダイン検出を実行するために、ヘテロダイン検出装置として配置されるとよい。
【0251】
ステップ２３１９では、検出された信号を処理して、ターゲットに関する情報を抽出することができる。信号の処理は、光コヒーレントイメージャの一部であってもよいし、光コヒーレントイメージャの一部でなくてもよい信号処理ユニットによって実行されるとよい。いくつかの実施形態によれば、ターゲットの情報には、ターゲットの座標およびターゲット表面の反射率が含まれるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態によれば、ターゲットの情報は、光コヒーレントイメージャからターゲットまでの距離を含むことができる。いくつかの実施形態によれば、ターゲットの情報は、ターゲットの速度情報を含むことができる。いくつかの実施形態によれば、距離および速度情報は、ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲの手法に従ってステップ２３０１で光源を変調することによって取得され、検出信号のフーリエ変換によって抽出されるとよい。
【0252】
本開示を説明および定義する目的で、程度という用語（例：「実質的に」、「わずかに」、「約」、「同等の」など）が、定量的な比較、値、測定、または他の表現に起因する可能性がある固有の不確実性の程度を表すために本明細書で利用され得ることに留意されたい。このような程度の用語は、本明細書において、問題となっている主題の基本的な機能に変化をもたらすことなく、量的表現が記載された基準（例えば、約１０％以下）から変化し得る程度を表すために利用されてもよい。本明細書に別段の記載がない限り、本開示に記載される数値は、程度の用語（例えば、「約」）によって修飾されているとみなされ、それによってその本質的な不確実性が反映される。本開示の様々な実施形態が本明細書で詳細に説明されているが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲に記載されている本開示の精神および範囲から逸脱することなく、修正および他の実施形態を容易に理解するであろう。
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図10D】
【図10E】
【図10F】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図11D】
【図11E】
【図12A】
【図12B】
【図12C】
【図12D】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図13D】
【図13E】
【図13F】
【図13G】
【図13H】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【図15C】
【図15D】
【図15E】
【図15F】
【図15G】
【図15H】
【図16A】
【図16B】
【図16C】
【図16D】
【図16E】
【図16F】
【図17A】
【図17B】
【図17C】
【図17D】
【図17E】
【図18A】
【図18B】
【図19A】
【図19B】
【図20A】
【図20B】
【図20C】
【図21A】
【図21B】
【図21C】
【図22A】
【図22B】
【図23】
【国際調査報告】